Thách thức về điện áp SST: Cấu hình và công nghệ SiC

Echo

Trường dữ liệu: Phân tích biến áp

China

Một trong những thách thức cốt lõi của các biến áp bán dẫn rắn (SST) là điện áp định mức của một thiết bị bán dẫn công suất đơn lẻ không đủ để xử lý trực tiếp mạng phân phối điện áp trung bình (ví dụ: 10 kV). Việc giải quyết hạn chế về điện áp này không phụ thuộc vào một công nghệ duy nhất, mà dựa trên "phương pháp kết hợp." Các chiến lược chính có thể được phân loại thành hai loại: "nội bộ" (qua sự đổi mới công nghệ và vật liệu ở cấp độ thiết bị) và "hợp tác bên ngoài" (qua topologie mạch).

1. Hợp tác bên ngoài: Giải quyết qua Topologie Mạch (Hiện đang là Phương pháp Chủ đạo và Chín Muồi Nhất)
Đây hiện là phương pháp đáng tin cậy và được áp dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng điện áp trung bình và cao, công suất lớn. Ý tưởng cốt lõi của nó là "sức mạnh trong sự đoàn kết"—sử dụng kết nối chuỗi hoặc tổ hợp mô-đun của nhiều thiết bị để chia sẻ điện áp cao.

1.1 Kết nối Chuỗi Thiết Bị

Nguyên tắc: Nhiều thiết bị chuyển mạch (ví dụ: IGBTs hoặc SiC MOSFETs) được kết nối trực tiếp theo chuỗi để cùng chịu đựng điện áp cao. Điều này tương tự như việc kết nối nhiều pin theo chuỗi để đạt được điện áp cao hơn.

Thách thức Chính:

Cân bằng Điện Áp Động: Do sự khác biệt nhỏ về thông số giữa các thiết bị (ví dụ: tốc độ chuyển mạch, điện dung kết), điện áp không thể được phân phối đều cho các thiết bị trong quá trình chuyển mạch tốc độ cao, có thể gây ra quá điện áp và hỏng hóc một thiết bị.
Giải Pháp: Cần các mạch cân bằng điện áp chủ động hoặc thụ động phức tạp (ví dụ: mạch snubber, điều khiển cổng) để ép buộc việc chia sẻ điện áp, tăng độ phức tạp và chi phí của hệ thống.

2. Topologie Chuyển Đổi Đa Cấp (Lựa Chọn Chủ đạo cho SST Hiện Nay)

2.1 Nguyên tắc: Đây là khái niệm "chuỗi mô-đun" tiên tiến và hiệu suất cao hơn. Nó tạo ra xấp xỉ hình sin bằng nhiều mức điện áp, do đó mỗi thiết bị chuyển mạch chỉ chịu một phần của điện áp DC bus tổng cộng.

2.2 Topologie Thường Gặp:

Chuyển Đổi Đa Cấp Mô-đun (MMC): Một trong những topologie được ưa chuộng nhất cho các SST điện áp trung bình và cao. Nó bao gồm nhiều mô-đun con (SMs) giống nhau được kết nối theo chuỗi. Mỗi mô-đun thường bao gồm một tụ điện và một số thiết bị chuyển mạch. Các thiết bị chỉ chịu đựng điện áp của tụ điện của mô-đun, giải quyết hiệu quả vấn đề căng thẳng điện áp. Ưu điểm bao gồm tính mô-đun, khả năng mở rộng và chất lượng sóng đầu ra tốt.
Chuyển Đổi Đa Cấp Tụ Bay (FCMC) và Chuyển Đổi Đa Cấp Được Kẹp Bằng Điôt (DNPC): Cũng là các cấu trúc đa cấp thường được sử dụng, nhưng trở nên phức tạp về cấu trúc và điều khiển khi số lượng cấp tăng lên.
Ưu Điểm: Giải quyết cơ bản hạn chế về điện áp định mức của các thiết bị riêng lẻ, cải thiện đáng kể chất lượng sóng điện áp đầu ra, và giảm kích thước bộ lọc.

3. Cấu trúc Nối Chuỗi Đầu Vào - Nối Song Song Đầu Ra (ISOP)

Nguyên tắc: Nhiều đơn vị chuyển đổi điện năng hoàn chỉnh và độc lập (ví dụ: DAB, Cầu Đôi Hoạt Động) được kết nối với đầu vào nối chuỗi để chịu đựng điện áp cao và đầu ra nối song song để cung cấp dòng điện lớn. Đây là giải pháp mô-đun ở cấp độ hệ thống.
Ưu điểm: Mỗi đơn vị là một mô-đun chuẩn điện áp thấp, đơn giản hóa thiết kế, sản xuất và bảo dưỡng. Độ tin cậy cao (sự hỏng hóc của một đơn vị không làm gián đoạn hoạt động của hệ thống tổng thể). Rất phù hợp với triết lý thiết kế mô-đun của SST.

4. Tăng cường Nội Bộ: Sáng tạo Công Nghệ ở Cấp Độ Thiết Bị (Hướng Phát Triển Tương Lai)

Phương pháp này giải quyết vấn đề từ góc độ khoa học vật liệu và vật lý bán dẫn.

4.1 Sử dụng Thiết Bị Bán Dẫn Khoảng Cách Rộng

Nguyên tắc: Các vật liệu bán dẫn thế hệ mới như carbide silic (SiC) và nitride gallium (GaN) có điện trường phá hủy quan trọng cao gấp mười lần so với silic truyền thống (Si). Điều này có nghĩa là các thiết bị SiC có thể đạt được định mức điện áp cao hơn nhiều so với các thiết bị Si cùng độ dày.
Ưu điểm:

Định mức Điện Áp Cao: Một SiC MOSFET đơn lẻ hiện có thể dễ dàng đạt được định mức điện áp trên 10 kV, trong khi IGBT silic thường giới hạn dưới 6,5 kV. Điều này cho phép đơn giản hóa các topologie SST (giảm số lượng thiết bị nối chuỗi).
Hiệu Suất Cao: Các thiết bị khoảng cách rộng cung cấp điện trở dẫn thấp và tổn thất chuyển mạch, cho phép SST hoạt động ở tần số cao hơn, do đó giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của các thành phần từ (biến áp, cuộn cảm).
Trạng Thái: Các thiết bị SiC điện áp cao hiện đang là chủ đề nóng trong nghiên cứu SST và được coi là công nghệ cốt lõi cho các thiết kế SST đột phá trong tương lai.

4.2 Công Nghệ Siêu Kết

Nguyên tắc: Một kỹ thuật tiên tiến cho MOSFET dựa trên silic, giới thiệu các vùng trụ P và N xen kẽ để thay đổi phân bố điện trường, do đó cải thiện đáng kể khả năng chặn điện áp trong khi vẫn giữ điện trở on thấp.
Ứng Dụng: Chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị có định mức điện áp từ 600 V đến 900 V. Được áp dụng ở phía điện áp thấp hoặc các phần công suất thấp của SST, nhưng vẫn chưa đủ cho các ứng dụng điện áp trung bình trực tiếp.

5. So sánh

Phương pháp Giải Quyết	Phương pháp Cụ Thể	Nguyên tắc Cốt Lõi	Ưu Điểm	Nhược Điểm	Độ Chín Muồi
Hợp tác Bên Ngoài	Kết nối Chuỗi Thiết Bị	Nhiều thiết bị chia sẻ điện áp	Nguyên tắc đơn giản, có thể thực hiện nhanh chóng	Khó chia sẻ điện áp động, kiểm soát phức tạp, thách thức độ tin cậy cao	Chín Muồi
	Chuyển Đổi Đa Cấp (ví dụ: MMC)	Các mô-đun con được kết nối theo chuỗi, mỗi mô-đun chịu điện áp thấp	Mô-đun, dễ mở rộng, chất lượng sóng tốt, độ tin cậy cao	Số lượng mô-đun lớn, kiểm soát phức tạp, chi phí tương đối cao	Chủ đạo Hiện Nay / Chín Muồi
	Cấu trúc Nối Chuỗi (ví dụ: ISOP)	Các đơn vị chuyển đổi chuẩn được kết nối theo chuỗi tại đầu vào	Mô-đun, khả năng chịu lỗi cao, thiết kế đơn giản	Cần nhiều biến áp cách ly, thể tích hệ thống có thể lớn	Chín Muồi
Nội Bộ (Sáng tạo Thiết Bị)	Bán Dẫn Khoảng Cách Rộng (SiC/GaN)	Chất liệu có điện trường phá hủy cao, khả năng chịu điện áp tự nhiên mạnh	Chịu điện áp cao, hiệu suất cao, tần số cao, đơn giản hóa topologie	Chi phí cao, công nghệ lái và bảo vệ vẫn đang phát triển	Hướng Tương Lai / Phát Triển Nhanh
Nội Bộ (Sáng tạo Thiết Bị)	Công Nghệ Siêu Kết	Tối ưu hóa phân bố điện trường nội bộ của thiết bị	Hiệu suất được cải thiện so với các thiết bị truyền thống	Có giới hạn về mức chịu điện áp, khó khăn để đối phó với điện áp trung bình	Chín Muồi (được sử dụng trong lĩnh vực điện áp thấp)

Làm thế nào để giải quyết hạn chế về định mức điện áp của các thiết bị bán dẫn công suất trong SST?

Giải pháp thực tế và đáng tin cậy nhất hiện nay là áp dụng topologie chuyển đổi đa cấp (đặc biệt là Chuyển Đổi Đa Cấp Mô-đun, MMC) hoặc cấu trúc nối chuỗi đầu vào - nối song song đầu ra (ISOP). Các phương pháp này, dựa trên các thiết bị silicon chín muồi, tránh được瓶颈电容限制通过复杂的系统级架构。请注意，您的输入中包含中文，根据要求，我将忽略这段文字并继续翻译。
目前最实用和可靠的解决方案是采用多电平转换器拓扑（特别是模块化多电平转换器，MMC）或输入串联输出并联（ISOP）结构。这些方法基于成熟的硅基器件，通过复杂的系统级架构绕过了单个器件的电压定额瓶颈。
- 未来的根本解决方案在于高压宽带隙半导体器件（特别是碳化硅SiC）的成熟和成本降低。一旦实现，SST拓扑可以显著简化，从而在效率和功率密度方面取得飞跃。
在实际的SST研究和开发中，通常会结合多种技术—例如，使用SiC器件的MMC拓扑—以实现最佳性能和可靠性。
请允许我继续翻译剩余的部分：
Hiện tại, giải pháp thực tế và đáng tin cậy nhất là áp dụng topologie chuyển đổi đa cấp (đặc biệt là Chuyển Đổi Đa Cấp Mô-đun, MMC) hoặc cấu trúc nối chuỗi đầu vào - nối song song đầu ra (ISOP). Các phương pháp này, dựa trên các thiết bị silicon chín muồi, tránh được hạn chế về định mức điện áp của các thiết bị riêng lẻ thông qua các kiến trúc hệ thống phức tạp.
- Giải pháp cơ bản cho tương lai nằm ở sự trưởng thành và giảm chi phí của các thiết bị bán dẫn khoảng cách rộng điện áp cao, đặc biệt là carbide silic (SiC). Khi được thực hiện, các topologie SST có thể được đơn giản hóa đáng kể, cho phép bước nhảy vọt về hiệu suất và mật độ công suất.
Trong nghiên cứu và phát triển SST thực tế, thường kết hợp nhiều công nghệ—ví dụ, sử dụng topologie MMC với các thiết bị SiC—để đạt được hiệu suất và độ tin cậy tối ưu.