Zakaj je težko povečati nivo napetosti?
Tranzistor z trdnim stanjem (SST), tudi poimenovan kot elektronski preobrazovalnik moči (PET), uporablja nivo napetosti kot ključni kazalnik svoje tehnološke zrelosti in uporabnih scenarijev. Trenutno so SST dosegli napetostne nivoje 10 kV in 35 kV na strani srednje napetosti, medtem ko na strani visoke napetosti ostajajo v fazi laboratorijskih raziskav in prototipskih preizkusov. Spodnja tabela jasno prikazuje trenutno stanje napetostnih nivojev v različnih uporabnih scenarijih:
| Uporabni scenarij | Napetostni nivo | Tehnično stanje | Opombe in primeri |
| Podatkovni center / stavba | 10kV | Komercialna uporaba | Obstaja veliko zrelih izdelkov. Na primer, CGIC je zagotovil 10kV/2,4MW SST za podatkovni center "East Digital and West Calculation" Gui'an. |
| Distribucijska omrežja / park - ravnska demonstracija | 10kV - 35kV | Demonstracijski projekt | Nekateri vodilni podjetji so predstavili 35kV prototipe in izvedli povezane demonstracije, kar je do danes najvišji znani napetostni nivo za inženirski uporabni scenarij. |
| Stran sistema za prenos moči | > 110kV | Laboratorijski principni prototip | Univerze in raziskovalni inštituti (na primer Tsinghua University, Global Energy Internet Research Institute) so razvili prototipe z napetostnimi nivoji 110kV in še višje, vendar do zdaj ni bilo odkritih nobenih komercialnih projektov. |
1. Zakaj je težko povečati napetostni nivo?
Napetostni nivo trdnostanja (SST) ne more biti preprosto povečan z nadgradnjo komponent, temveč je omejen z serijo osnovnih tehničnih izzivov:
1.1 Omejitev obvladovanja napetosti elektromočnih polprevodnikov
To je ključni botleneck. Trenutno uporabljajo glavni SST silikatne IGBT-e ali bolj napredne silicij-karbidne (SiC) MOSFET-e.
Napetostni nivo enega SiC naprave je tipično okoli 10 kV do 15 kV. Za obravnavanje višjih sistemskih napetosti (npr. 35 kV) morajo biti več naprav povezanih v zaporedje. Vendar zaporedno povezovanje vpelje kompleksne "težave uravnoteženja napetosti", kjer celo majhne razlike med napravami lahko vodijo do neravnovesja napetosti in odpovedi modula.
1.2 Izzivi pri tehnologiji izolacije visokofrekvenčnega preobrazovalnika
Osnovna prednost SST leži v zmanjšanju velikosti z delovanjem na visokih frekvencah. Vendar se pri visokih frekvencah učinkovitost materialov za izolacijo in porazdelitev električnega polja postane zelo kompleksna. Številčnejši napetostni nivo, točnejša zahteva za izolacijsko obliko, proizvodninske procese in termalno upravljanje visokofrekvenčnega preobrazovalnika. Dosego desetine kV-nivo visokofrekvenčne izolacije v omejenem prostoru predstavlja velik izziv v materialih in oblikovanju.
1.3 Kompleksnost sistemske topologije in nadzora
Za obravnavanje visokih napetosti SST tipično uporabljajo kaskadne modularne topologije (npr. MMC - Modular Multilevel Converter). Številčnejši napetostni nivo, večja števila podmodulov, ki so potrebni, vodijo do zelo kompleksne strukture sistema. Težava nadzora se eksponentno poveča, in skupaj s tem se poveča tudi strošek in stopnja odpovedi.
2. Prihodnji pogled
Čeprav obstajajo značilni izzivi, tehnološki skoki še vedno napredujejo:
Razvoj naprav: Višje napetostne ocene SiC in gallium nitride (GaN) naprav so v razvoju in predstavljajo temelj za dosego višjih napetostnih SST.
Inovativnost topologije: Nove oblike krmarjev, kot so hibridne pristopi (kombiniranje konvencionalnih preobrazovalnikov s prevajalniki elektronske moči), so smiselni način za hitre skoki v visokonapetostnih aplikacijah.
Standardizacija: Kot organizacije, kot je IEEE, začnejo vzpostavljati standardi, povezani z SST, to bo spodbudilo standardizirano obliko in preizkušanje, pospeševanje tehnološke zrelosti.
3. Zaključek
Trenutno so 10 kV SST vstopili v komercialno uporabo, 35 kV nivo pa predstavlja najvišji dosežen nivo v demonstracijskih projektih, medtem ko napetostni nivoji 110 kV in višje ostajajo v območju perspektivnih tehničnih raziskav. Napredek napetostnih nivojev trdnostanja je postopen proces, ki je odvisen od usklajenega napredka v področjih elektromočnih polprevodnikov, materialne znanosti, teorije nadzora in termalnega upravljanja.
