SST voltaj muammolari: Topologiyalar & SiC texnologiyasi
Solid-State Transformer (SST) ning asosiy muammolari orasida, bitta elektr tarmog‘i qurilmasining shunt voltajasi o‘rtacha voltajali tarmoqlar (masalan, 10 kV) bilan to‘g‘ridan-to‘g‘ri ishlash uchun juda yetarli emas. Bu voltaj cheklovinchi hal etish uchun yagona texnologiya yo‘q, balki "kombinatsiya yondashuvi" talab etiladi. Asosiy strategiyalarni ikki guruhga bo‘lish mumkin: "ichki" (qurilma darajasidagi texnologik va material innovatsiyalar orqali) va "tashqi hamkorlik" (siritalar topologiyasi orqali).
1.Tashqi hamkorlik: Siritalar topologiyasi orqali hal qilish (Hozirda eng mashhur va murakkab yechim)
Bu hozirgi paytda o‘rta va yuqori voltajali, katta quvvatli tarmoqlarda eng ishonchli va keng qo‘llaniladigan yechimdir. Uning asosiy fikri - "birlikda kuchli bo‘lish" - bir nechta qurilmalarni seriyaning yoki modulli kombinatsiyasini ishlatib, yuqori voltajni ulardan o‘tkazish.
1.1 Qurilmalarning seriyaviy ulanishi
Printsiplar: Bir nechta aloqador qurilmalar (masalan, IGBT yoki SiC MOSFET) seriyada ulaniladi, shuntlar yuqori voltajni ta'minlaydi. Bu, bir nechta bataryalarni seriyada ulanish orqali yuqori voltajni ta'minlashga o'xshaydi.
Asosiy muammolar:
Dinamik voltaj balansini saqlash: Qurilmalar orasidagi noqonuniy parametrlar farqlari (masalan, aloqa tezligi, shunt kapasitansi) tufayli, tezkor aloqa jarayonida voltaj teng tarzda bo‘linmaydi, bu esa bir qurilmaning voltajini oshirish va arizaga olib kela oladi.
Yechimlar: Kompleks aktiv yoki pasiv voltaj balansini saqlash siritalari (masalan, snubber siritalari, shunt boshqaruv) talab etiladi, bu sistemani murakkablashtiradi va narxini oshiradi.
2. Ko‘pguruhli o‘girlovchilar topologiyasi (Hozirgi paytda SST uchun eng mashhur tanlov)
2.1 Printsiplar: Bu, ko‘proq rivojlangan va yuqori xususiyatlarga ega "modulli seriyaviy" konseptsiya. Bu, bir nechta voltaj darajalari yordamida sinusoidal to‘g‘rilangan hisoblanadi, har bir aloqa qurilmasi umumiy DC bus voltajining faqat bir qismiga davom ettiradi.
2.2 Umumiy topologiyalar:
Modulli ko‘pguruhli o‘girlovchi (MMC): O‘rta va yuqori voltajli SSTlarda eng sevilib olingan topologiyalar orasida. Bu, bir nechta identik submodullar (SM) seriyada ulanganidan iborat. Har bir submodul tipik ravishda kondensator va bir nechta aloqa qurilmalarni o‘z ichiga oladi. Qurilmalar faqat submodulning kondensatorining voltajini tasirga olib boradi, shunt voltaj muammolari efektiv ravishda hal etiladi. Modullilik, kengaytirish imkoniyati va yaxshi chiqish to‘g‘ri chizig‘i sifatida afzalliklar mavjud.
Uchqun kondensatorli ko‘pguruhli o‘girlovchi (FCMC) va diod qoplangan ko‘pguruhli o‘girlovchi (DNPC): Shunga o‘xshash ko‘pguruhli strukturalar, lekin darajalar soni oshganda strukturaviy va boshqaruv jihatdan murakkablasadi.
Afzalliklar: Boshqaruv qurilmalari voltaj reytingi cheklovinchi fundamental ravishda hal etiladi, chiqish voltaj to‘g‘ri chizig‘i sifatini nihoyatda yaxshilaydi va filtrlar hajmini kamaytiradi.
3. Kirish-seriya Chiqish-paralel (ISOP) kasakli struktura
Printsiplar: Bir nechta to‘liq, mustaqil quvvat o‘zgartirish birliklari (masalan, DAB, Dual Active Bridge) kirishlarini seriyada, chiqishlarini paralelda ulanadi, bu yuqori voltaj va katta tokni ta'minlaydi. Bu, sistemaviy darajadagi modulli yechimdir.
Afzalliklar: Har bir birlik past voltaj standart moduli, dizayn, ishlab chiqarish va xizmat ko‘rsatishni yengillashtiradi. Yuqori ishonch (bir birlikning arizi umumiy tizim ishlashini buzmaydi). SST uchun modulli dizayn fikri uchun juda mos keladi.
4. Ichki kuchlanish: Qurilma darajasidagi texnologik innovatsiyalar (Keling nafis rivojlanish yo‘nalishi)
Bu yondashuv materialshunoslik va poluprovodnik fizikasining nazoratidan muammolarni fundamental ravishda hal qiladi.
4.1 Keng zanjirli poluprovodnik qurilmalarning ishlatilishi
Printsiplar: Silitsium karbid (SiC) va galliy nitrid (GaN) kabi yangi nesldagi poluprovodnik materiallarning kritik buzilish elektr maydonlari aniq silitsium (Si) ga nisbatan bir orniq yuqorida. Bu, SiC qurilmalari Si qurilmalardan nisbatan bir xil qalinlikda yuqori voltaj reytingini berishini anglatadi.
Afzalliklar:
Yuqori voltaj reytingi: Bir SiC MOSFET endi 10 kV dan yuqori voltaj reytingiga oson erisha oladi, silitsium IGBTlar 6.5 kV dan pastda cheklanadi. Bu, SST topologiyalarini yengillashtiradi (seriyaviy ulangan qurilmalar sonini kamaytiradi).
Yuqori samaradorlik: Keng zanjirli qurilmalar kamroq o‘tkazish qarshiliqlik va aloqa zararlarini taklif etadi, bu SSTlarga yuqori chastotalarda ishlash imkoniyatini beradi, bu esa magnit komponentlarning (transformatorlar, induktorlar) hajm va vaznini nihoyatda kamaytiradi.
Holati: Yuqori voltajli SiC qurilmalari hozirgi paytda SST tadqiqotlarida eng aktuellashgan mavzular orasida va kelajakda SST dizaynlarini radikal ravishda o‘zgartirish uchun asosiy imkoniyatlar hisoblanadi.
4. 2 Superjunction texnologiyasi
Printsiplar: Silitsium asosidagi MOSFETlar uchun rivojlangan uslub, P-turli va N-turli stolblar orqali elektr maydoni taqsimlanishini o‘zgartiradi, bu voltaj bloklangan imkoniyatini katta darajada yaxshilaydi, lekin past o‘tkazish qarshiliqlikni saqlaydi.
Qo‘llanilishi: Asosan 600 V va 900 V orasidagi voltaj reytingdagi qurilmalarda ishlatiladi. SSTlarning past voltajli tomoni yoki past quvvatli qismida qo‘llaniladi, lekin to‘g‘ridan-to‘g‘ri o‘rta voltajli tarmoqlar uchun yetarli emas.
5. Taqqoslash
| Yechim yondashuvi | Aniq usul | Asosiy printsiplar | Afzalliklar | Zaxiralari | Murakkablik |
| Tashqi hamkorlik | Qurilmalarning seriyaviy ulanishi | Bir nechta qurilmalar voltajni ta'minlaydi | Oddiy printsiplar, tez ishga tushirish mumkin | Murakkab dinamik voltaj taqsimlash, murakkab boshqaruv, ishonch muammoli | Murakkab |
| Ko‘pguruhli o‘girlovchi (masalan, MMC) | Modulli submodullar seriyada ulaniladi, har bir modul past voltajni ta'minlaydi | Modullik, kengaytirish oson, yaxshi chiqish to‘g‘ri chizig‘i, yuqori ishonch | Ko‘p submodullar, murakkab boshqaruv, nisbiy yuqori narx | Joriy mashhur / murakkab | |
| Kasakli struktura (masalan, ISOP) | Standart o‘zgartirish birliklari kirishda seriyada ulanadi | Modullik, kuchli arizaga barqarorlik, oddiy dizayn | Ko‘p izolyatsiya transformatorlari talab etiladi, tizim hajmi katta bo‘lishi mumkin | Murakkab | |
| Ichki (qurilma innovatsiyasi) | Keng zanjirli poluprovodnik (SiC/GaN) | Materialning o‘ziga yuqori buzilish elektr maydoni va voltajga qarshilik ega | Yuqori voltajga qarshilik, yuqori samaradorlik, yuqori chastota, yengillashtirilgan topologiya | Yuqori narx, haydash va himoya texnologiyasi rivojlanmoqda | Keling nafis rivojlanish / tezkor rivojlanish |
| Superjunction texnologiyasi | Qurilmaning ichki elektr maydoni taqsimlanishini optimallashtirish | Aniq qurilmalarga nisbatan samaradorlik yaxshilandi | Voltajga qarshilik darajasi yuqoriga cheklanadi, o‘rta voltajga qarama-qarshi javob berish qiyin | Murakkab (past voltaj sohasida ishlatiladi) |
SSTlarda elektr tarmog‘i qurilmalarining voltaj reytingi cheklovinchi qanday hal qilish mumkin?
Hozirgi paytda eng amaliy va ishonchli yechim - multilevel converter topologiyalarini (maxsus MMC) yoki cascaded input-series output-parallel (ISOP) strukturalarni qo'llash. Ushbu yondashuvlar, maturning silitsium asosidagi qurilmalari asosida, tizimli darajadagi murakkab arhitekturalar orqali har bir qurilmaning voltaj reytingi cheklovinchi hal qilinadi.
Kelajak uchun fundamental yechim - yuqori voltajli keng zanjirli poluprovodnik qurilmalarning (aloqador SiC) maturning va narxning pasayishida. Bu, SST topologiyalarini nihoyatda yengillashtiradi, samaradorlik va quvvat doimiylikka olib keladi.
Haqiqiy SST tadqiqot va rivojlanishida, bir nechta texnologiyalar ko'pincha bir-biriga ulaniladi - masalan, SiC qurilmalari ishlatiladigan MMC topologiyasi - eng yaxshi samaradorlik va ishonchni ta'minlash uchun.
