Γιατί είναι δύσκολο να αυξηθεί το επίπεδο τάσης;

Η στερεά μετατροπέας (SST), επίσης γνωστή ως ηλεκτρονικός μετατροπέας ενέργειας (PET), χρησιμοποιεί το επίπεδο τάσης ως βασικό δείκτη της τεχνολογικής ώριμότητας και των εφαρμογών της. Σήμερα, οι SSTs έχουν φτάσει σε επίπεδα τάσης 10 kV και 35 kV στη μεσημβρινή πλευρά της κατανομής, ενώ στην πλευρά υψηλής τάσης της μεταφοράς, παραμένουν στάδιο ερευνητικού εργαστηριακού έργου και πρωτοτύπου επιβεβαίωσης. Ο παρακάτω πίνακας αναδεικνύει σαφώς την τρέχουσα κατάσταση των επιπέδων τάσης σε διάφορες εφαρμογές:

1. Γιατί είναι δύσκολο να αυξηθεί το επίπεδο τάσης;
Το επίπεδο τάσης μιας στερεάς μετατροπέας (SST) δεν μπορεί απλά να αυξηθεί με την στοίβαξη συστατικών· είναι περιορισμένο από μια σειρά βασικών τεχνικών προκλήσεων:

1.1 Περιορισμός αντοχής σε τάση των ηλεκτρονικών συσκευών

• Αυτό είναι το βασικό προβληματικό σημείο. Σήμερα, οι κυρίαρχες SSTs χρησιμοποιούν IGBTs βασισμένες σε πυρίτιο ή πιο προηγμένα MOSFETs βασισμένα σε καρβούνιο (SiC).

• Το επίπεδο τάσης ενός μοναδικού συστήματος SiC είναι συνήθως γύρω στα 10 kV έως 15 kV. Για την επεξεργασία υψηλότερων συστημικών επιπέδων τάσης (π.χ., 35 kV), πρέπει να συνδεθούν σε σειρά πολλαπλά συστήματα. Ωστόσο, η σειριακή σύνδεση εισάγει περίπλοκα "προβλήματα ισορροπίας τάσης," όπου ακόμη και μικρές διαφορές μεταξύ συστημάτων μπορούν να οδηγήσουν σε άνιση κατανομή τάσης και σε αποτυχία του μοντουλάριου.

1.2 Προκλήσεις στην τεχνολογία επενδυτικής απομόνωσης υψηλής συχνότητας

Ο βασικός πλεονέκτης των SSTs βρίσκεται στη μείωση του μεγέθους μέσω λειτουργίας υψηλής συχνότητας. Ωστόσο, υπό υψηλές συχνότητες, η απόδοση των υλικών απομόνωσης και η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γίνονται εξαιρετικά περίπλοκες. Το υψηλότερο το επίπεδο τάσης, τόσο αυστηρότερες οι απαιτήσεις για τη σχεδίαση, την κατασκευή και τη θερμοκρασιακή διαχείριση του μετατροπέα υψηλής συχνότητας. Η επίτευξη απομόνωσης υψηλής συχνότητας σε επίπεδο δεκάδων kV μέσα σε περιορισμένο χώρο αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόκληση σε υλικά και σχεδίαση.

1.3 Περιπλοκότητα της τοπολογίας και του ελέγχου του συστήματος

Για την επεξεργασία υψηλών τάσεων, οι SSTs συνήθως χρησιμοποιούν τοπολογίες μοντουλάριων (π.χ., MMC—Modular Multilevel Converter). Το υψηλότερο το επίπεδο τάσης, τόσο μεγαλύτερο το αριθμός των υπομοντουλάριων που απαιτούνται, οδηγώντας σε εξαιρετικά περίπλοκη δομή συστήματος. Η δυσκολία ελέγχου αυξάνεται εκθετικά, και τόσο η κόστος όσο και η ποσοστώση αποτυχίας αυξάνονται ανάλογα.

2. Μέλλον
Παρά τις σημαντικές προκλήσεις, οι τεχνολογικές διαπράξεις συνεχίζονται:

• Πρόοδος συστημάτων: Υψηλότερα επίπεδα τάσης SiC και gallium nitride (GaN) συστήματα βρίσκονται σε ανάπτυξη και αντιπροσωπεύουν τη βάση για την επίτευξη SSTs υψηλότερων επιπέδων τάσης.

• Νέες τοπολογίες: Νέες τοπολογίες κύκλων, όπως οι υβριδικές προσεγγίσεις (συνδυασμός παραδοσιακών μετατροπέων με ηλεκτρονικούς μετατροπείς), θεωρούνται ως ένας εφικτός δρόμος για ταχείες διαπράξεις σε εφαρμογές υψηλής τάσης.

• Τυποποίηση: Καθώς οργανισμοί όπως η IEEE ξεκινούν να θεσπίζουν πρότυπα που σχετίζονται με τους SSTs, αυτό θα προωθήσει τυποποιημένες σχεδίαση και δοκιμές, επιταχύνοντας την τεχνολογική ώριμότητα.

3. Συμπέρασμα
Σήμερα, οι 10 kV SSTs έχουν εισέλθει σε εμπορική εφαρμογή, και το επίπεδο 35 kV αντιπροσωπεύει το υψηλότερο επίπεδο που έχει επιτευχθεί σε επιδείξεις, ενώ τα επίπεδα τάσης 110 kV και άνω παραμένουν στο πεδίο προοπτικικής τεχνολογικής έρευνας. Η πρόοδος των επιπέδων τάσης των στερεών μετατροπέων είναι ένας σταδιακός διαδικαστικός προσανατολισμός που εξαρτάται από τη συντονισμένη πρόοδο σε ηλεκτρονικά συστήματα, επιστήμη υλικών, θεωρία ελέγχου και τεχνολογίες θερμοκρασιακής διαχείρισης.