Voltaj seviyesini artırmak neden zordur?

Katı hal dönüştürücü (SST), aynı zamanda güç elektronik dönüştürücü (PET) olarak da bilinir, teknolojik olgunluğunu ve uygulama senaryolarını belirleyen temel göstergelerden biri olan gerilim seviyesini kullanır. Şu anda, SST'ler orta gerilim dağıtım tarafında 10 kV ve 35 kV gerilim seviyelerine ulaşmış durumda, yüksek gerilim iletim tarafında ise hala laboratuvar araştırması ve prototip doğrulama aşamasındadır. Aşağıdaki tablo, farklı uygulama senaryolarına göre mevcut gerilim seviyelerinin durumunu açıkça göstermektedir:

1. Gerilim seviyesini arttırmak neden zordur?
Katı hal dönüştürücünün (SST) gerilim seviyesi, bileşenlerin basitçe yığılmasıyla artırılamaz; bir dizi temel teknik zorlukla sınırlıdır:

1.1 Güç yarıiletken cihazlarının gerilim dayanıklılık sınırı

• Bu, çekirdek boğaz noktasıdır. Şimdiki dönemde, yaygın SST'ler silikon tabanlı IGBT'leri veya daha gelişmiş silikon karbür (SiC) MOSFET'leri kullanmaktadır.

• Tek bir SiC cihazının gerilim derecesi genellikle 10 kV ila 15 kV arasındadır. Daha yüksek sistem gerilimlerini (örneğin 35 kV) işlemek için birden fazla cihaz seri bağlantılı olmalıdır. Ancak, seri bağlantı karmaşık "gerilim dengeleme sorunlarını" getirir, cihazlar arasındaki hafif farklılıklar bile gerilim dengesizliğine ve modül arızasına yol açabilir.

1.2 Yüksek frekanslı dönüştürücü yalıtım teknolojisindeki zorluklar

SST'lerin temel avantajı, yüksek frekansta çalışarak boyut küçültmesidir. Ancak, yüksek frekanslarda, yalıtım malzemelerinin performansı ve elektrik alan dağılımı son derece karmaşık hale gelir. Gerilim seviyesi ne kadar yüksek olursa, yüksek frekanslı dönüştürücünün yalıtım tasarımı, üretim süreçleri ve termal yönetimi için gereksinimler o kadar sıkı hale gelir. Sınırlı bir alanda onlarca kV seviyesinde yüksek frekanslı yalıtım elde etmek, malzeme ve tasarım açısından önemli bir zorluktur.

1.3 Sistem topolojisi ve kontrolün karmaşıklığı

Yüksek gerilimleri işlemek için SST'ler genellikle kademeli modüler topolojileri (örneğin MMC—Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücü) benimser. Gerilim seviyesi ne kadar yüksek olursa, gerekli alt modül sayısı o kadar artar, bu da son derece karmaşık bir sistem yapısına yol açar. Kontrol zorluğu üssel olarak artar ve hem maliyet hem de hata oranı buna paralel olarak yükselir.

2. Gelecek Görünümleri
Önemli zorluklara rağmen, teknolojik kırılmalar devam etmektedir:

• Cihaz gelişimi: Daha yüksek gerilim dereceli SiC ve galium nitrit (GaN) cihazları geliştirilmekte ve daha yüksek gerilimli SST'lerin temelini oluşturmaktadır.

• Topoloji yenilikleri: Geleneksel dönüştürücülerle güç elektronik dönüştürücülerin kombinasyonunu içeren yeni devre topolojileri, yüksek gerilim uygulamalarında hızlı kırılmalar için uygun bir yoldur.

• Standartlaştırma: IEEE gibi kuruluşların SST ile ilgili standartlar oluşturmasına başlaması, standartlaştırılmış tasarım ve testi teşvik edecektir, bu da teknolojik olgunluğa hız katacaktır.

3. Sonuç
Şu anda, 10 kV SST'ler ticari uygulamaya girmiş durumdadır ve 35 kV seviyesi gösterim projelerinde elde edilen en yüksek seviyedir, 110 kV ve üzeri gerilim seviyeleri ise ileri görüşlü teknik araştırmaların alanında yer almaktadır. Katı hal dönüştürücü gerilim seviyelerinin ilerlemesi, güç yarıiletkenler, malzeme bilimi, kontrol teorisi ve termal yönetim teknolojilerinde koordineli ilerlemenin bir sonucudur.