Was ist die maximale Spannung, die Silizium verarbeiten kann?

In einem Wettlauf um Effizienz sind wir heute von Transformatoren zu Schaltnetzteilen übergegangen. Fast alle Netzteile wurden für den einphasigen Niederspannungsbetrieb (220 VAC / 310 VDC in meinem Land) entwickelt. Ich habe noch nie 380V 3-Phasen 3+ kW ATX-Netzteile für PCs gesehen, trotz ihrer Effizienz und ihres geringeren Welligkeitsrauschens. Sie wären sehr nützlich für Stapel von GPUs. Ich denke, das liegt hauptsächlich daran, dass Elektrolytkondensatoren gleichgerichtete 660 VDC nicht überleben können.

Und es könnte noch besser sein, eine 10-kV-Mittelspannungsleitung gleichzustellen, wie es normalerweise beim Dorftransformator der Fall ist. Aber wie hoch ist die Spannungsgrenze, die Siliziumbauelemente (MOSFETs) überleben können, ohne zusammenzubrechen?

Sie können Thyristoren mit einer Nennleistung von 8 kV (bei mehreren tausend Ampere) für die Verwendung in HGÜ-Wandlern erhalten. Das Gate ist aus den offensichtlichen Gründen optisch gekoppelt und auch deshalb, weil bei gleichzeitiger Verwendung auf HGÜ-Verbindungen die Unterschiede in der Gate-Ansteuergeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten Thyristoren wichtig sind und die optische Geschwindigkeit etwas deutlicher ist:

Stapeln Sie einige in einem Tablett mit den verschiedenen Extras, die Sie benötigen, um sie sicher zu steuern (Dämpfer usw.), und Sie erhalten eines davon: -

Dann bauen Sie ein Denkmal für die Götter von Megavolt, indem Sie die Tabletts wie folgt stapeln:

Beachten Sie den kleinen Kerl unten.

In Bezug auf die Leistung habe ich gelesen, dass 40 Gramm Silizium benötigt werden, um 20 MW Leistung zu steuern, und viele dieser Anlagen haben buchstäblich eine Leistung von tausend MW oder mehr.

Und es könnte noch besser sein, eine 10-kV-Mittelspannungsleitung zu korrigieren, wie es normalerweise bei Dorftransformatoren der Fall ist.

Ah, aber Sie erhalten keine sichere Isolierung, die zuverlässig ist - ein Ausfall und 10 kV in Ihrer Hausverkabelung sind nicht gut. Außerdem beträgt der Break-Even-Punkt einer HGÜ-Verbindung gegenüber einer normalen Wechselstromverbindung viele, viele Meilen.

Wo sind 3-Phasen-Netzteile mit 380 V bis 12 V?

Nun, es gibt einen technischen Haken, der der Schaltung innewohnt, die seit vielen Jahren in der "Standard" 3-Phasen-Gleichrichterschaltung verwendet wird:

Das Problem ist, wie sie schalten und Leistungsfaktorkorrektur. In den guten alten Zeiten kümmerte sich niemand darum, aber heutzutage sind PF und Sauberkeit der Versorgung in vielen Ländern von größter Bedeutung. Und dies ist das Problem mit dem Standard-3-Phasen-Gleichrichter - er kann nicht PF-korrigiert werden, da Dioden aufgrund der Blockierungswirkung der anderen Phasen und ihrer Dioden nicht von 0 Volt bis 0 Volt (während eines halben Zyklus) leiten können. Der aus der 3-Phasen-Versorgung entnommene Pulsstrom ist sehr schlecht.

Die Lösung besteht darin, drei einphasige (und PF-korrigierte) Versorgungen zu verwenden, die die gesamte Stromversorgung zu einem gemeinsamen DC-Bus beitragen. Die moderne 3-Phasen-Schaltversorgung besteht also tatsächlich aus drei einphasigen Versorgungen.

Wie machen es die HGÜ-Thyristoren? Sie verwenden Filter, die so groß wie kleine Häuser sind, um die erzeugten Harmonischen zu löschen.

Beachten Sie die relative Größe der Oberschwingungsfilter im Vergleich zur "Ventilhalle", in der sich alle Thyristor- "Ventile" befinden. Alle Arten von doppelt und einfach abgestimmten Filtern werden nur verwendet, um diese Harmonischen zu entfernen. Wenn dieselbe Technik bei gewöhnlicheren Standard-3-Phasen-Schaltversorgungen verwendet würde (diejenigen, die niemals der modernen Gesetzgebung entsprechen), raten Sie mal, was; Die Kosten für die Filterung sind höher als die zusätzlichen Kosten für einzelne Lieferungen mit integrierter PF-Korrektur.

Könnten Sie einen Link zum Modellnamen oder zumindest die Produktreihe angeben?

Infineon-Thyristorscheiben mit einer Nennleistung von bis zu 8 kV und 4800 Ampere .

Aber was ist Spannungsbegrenzung Siliziumschlüssel (Mosfets) können überleben, ohne durchzubrechen?

Es gibt praktisch keine Grenzen; Wenn Ihre Spannung die Durchbruchspannung einer Komponente überschreitet, schalten Sie zwei in Reihe.

Es gibt Gleichrichter auf Siliziumhalbleiterbasis für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung. Diese arbeiten bei 800 kV oder höher.

Trotzdem wäre es dumm teuer zu versuchen, mehrere kV als Eingang für ein Netzteil zu verwenden, das am Ende eine um drei Größenordnungen kleinere Spannung erzeugt. Außerdem ist es unglaublich gefährlich, mehrere kV in Heiminstallationen zu handhaben, was einfach unmöglich ist (die Isolierung kann leicht dicker werden als Kabelöffnungen).

Sie bauen tatsächlich Festkörpertransformatoren mit höherer Effizienz und Kontrolle, die mit 7,2 kV betrieben werden

Der Arbeitspferdeschalter der Leistungselektronik, der Silizium-basierte Bipolartransistor (IGBT) mit isoliertem Gate, passt besser. Diese Geräte wurden verwendet, um SSTs für Bahnanwendungen in Europa zu bauen. Und sie sind sicherlich schneller. Die strengsten kommerziellen Geräte können jedoch Spannungen von nur etwa 6,5 ​​Kilovolt standhalten. Während diese Durchbruchspannung für eine Reihe von Stromversorgungsanwendungen vollkommen in Ordnung ist, reicht es nicht aus, den Strom zu verarbeiten, der durch Verteiltransformatoren fließt. In den Vereinigten Staaten beträgt eine typische Spannung am unteren Ende des Spektrums 7,2 kV.

Sie verwenden Siliziumkarbid, das eine größere Bandlücke aufweist und auch gegenüber Heizproblemen toleranter ist:

Glücklicherweise ist Silizium nicht die einzige Option. In den letzten 10 Jahren wurden große Fortschritte bei der Entwicklung von Schaltern auf der Basis von Verbindungshalbleitern erzielt, insbesondere von Siliziumkarbid. Siliziumkarbid hat eine Reihe attraktiver Eigenschaften, die sich aus seiner großen Bandlücke ergeben - der Energiehürde, die überwunden werden muss, um vom Isolator zum Leiter zu wechseln. Die Bandlücke von Siliziumkarbid beträgt 3,26 Elektronenvolt zu 1,1 eV von Silizium, was bedeutet, dass das Material deutlich höheren elektrischen Feldern und Temperaturen ausgesetzt werden kann als Silizium, ohne zusammenzubrechen. Und weil dieser Verbundhalbleiter viel höheren Spannungen standhalten kann, können daraus gebaute Leistungstransistoren kompakter gemacht werden, wodurch sie viel schneller schalten können als ihre Gegenstücke auf Siliziumbasis.

Quellen: https://spectrum.ieee.org/energy/renewables/smart-transformers-will-make-the-grid-cleaner-and-more-flexible

Mitsubishi IGBT-Hybride mit FET-Eingang BJT-Ausgänge können jetzt Megawatt und 15 kV mit sehr hoher Spannung schalten und werden auch in intelligenten Wechselrichtern und 600 V- GTIs in Arrays zur Redundanz gegenüber kleineren GTIs wie den 2000S 50 kW-Einheiten von Huawei verwendet.

Unten sehen Sie einen Mitsubishi-Hybrid-IGBT, der viele Patente für außergewöhnlich hohe Schaltenergie und extrem niedrige interne Treiber-ESL und ESR besitzt. (Induktivität und Widerstand) Ich glaube, sie arbeiten jetzt an ihrer 8. Generation.

TI hat auch großartige Designinformationen zu ihren IGBTs