Miksi laajakaistaiset puolijohteet ovat tulevaisuuden voimatekniikan kulmakivi?

Laajakaistaiset puolijohteet, kuten piinisidoksinen karbidi (SiC) ja galliumnitridi (GaN), ovat nousemassa avainkomponenteiksi sähkönsiirrossa ja energiatehokkuudessa. Näiden puolijohteiden kehitys tarjoaa ainutlaatuisia mahdollisuuksia parantaa energiatehokkuutta ja pienentää laitteiden kokoa, erityisesti niissä sovelluksissa, joissa tarvitaan suurtehoisia ja nopeita komponentteja. Vaikka silikonipohjaiset puolijohteet ovat pitkään hallinneet voimatekniikan kenttää, niiden rajoitukset ovat yhä ilmeisemmät erityisesti korkeissa jännitteissä ja lämpötiloissa. Tämän vuoksi laajakaistaiset puolijohteet tarjoavat tarvittavan teknologisen hyppäyksen kohti entistä tehokkaampia ja kompakteimpia voimatekniikoita.

Siemensiliconin kehitys, erityisesti bipolaaristen liitospuolettien (BJT), eristetyllä portilla varustettujen bipolaaristen transistoreiden (IGBT) ja metallihapetepuolettien (MOSFET) kehitys 1970-luvun puolivälistä 2020-luvulle on mahdollistanut merkittäviä parannuksia tehoelektroniikan suorituskyvyn mittareissa, kuten kolminkertaisissa volyymeissa teollisissa moottorivaihtimissa. Näiden piin puolijohteiden kehitys on ollut avainasemassa energiatehokkuuden ja luotettavuuden parantamisessa, mutta niiden suorituskyky lähestyy jo rajojaan, erityisesti suurilla tehoilla.

Tässä vaiheessa laajakaistaiset puolijohteet, kuten SiC ja GaN, tarjoavat huomattavasti paremmat sähkönjohtavuus- ja lämpötilankestävyysominaisuudet kuin perinteiset piipuolettimet. Niiden erinomaiset materiaaliominaisuudet mahdollistavat energiatehokkaampien ja kompaktimpien virtapiirien luomisen, jotka voivat toimia korkeammilla taajuuksilla ja jännitteillä, samalla kun ne kestävät korkeampia lämpötiloja ja äärimmäisiä ympäristöolosuhteita.

Yhdysvaltain energianhallintaviraston (DOE) vuonna 2017 käynnistämä ARPA-E:n CIRCUITS-ohjelma oli merkittävä askel kohti laajakaistaisiin puolijohteisiin perustuvan tehoelektroniikan vallankumousta. Ohjelman tavoitteena oli nopeuttaa uusien virtamuuntajien kehitystä, jotka perustuvat laajakaistaisiin puolijohteisiin ja jotka voisivat tuoda tehoelektroniikan maailmaan samanlaisen mullistuksen, jonka MOS-ovelliset puolijohteet (IGBT ja MOSFET) toivat 35 vuotta sitten.

CIRCUITS-ohjelma keskittyi kahteen pääkategoriaan. Ensimmäinen kategoria oli laajakaistaisiin puolijohteisiin perustuvien yleisten virtamuuntajien kehittämiseen, joissa korostettiin uusia piirikokonaisuuksia, ohjaus- ja ajopiirejä, pakkaustekniikoita, lämmönhallintastrategioita sekä sähkömagneettisen yhteensopivuuden ratkaisuja. Näiden innovatiivisten ratkaisujen oli tarkoitus täyttää tiukat suorituskykytavoitteet massakohtaisessa ja volyymikohtaisessa tehojen tiheydessä ja energiatehokkuudessa (POUT/PLOSS) kaikilla käytännön kuormatasoilla.

Laajakaistaisen puolijohteiden kehityksellä on kuitenkin omat haasteensa, jotka hidastavat sen laajempaa käyttöönottoa. Vaikka materiaalit ovat teknisesti ylivoimaisia, niiden valmistusprosessit ovat monimutkaisempia ja kalliimpia kuin perinteisten piipuolettimien, mikä voi rajoittaa niiden yleistä saatavuutta ja käytettävyyttä. Tästä huolimatta odotetaan, että laajakaistaiset puolijohteet voivat mahdollistaa tehoelektroniikan siirtymisen kohti täysin sähköistettyä ja hiilineutraalia maailmaa.

Erityisesti uusiutuvien energialähteiden ja sähköistymisen kasvu on yksi suurimmista ajureista laajakaistaisen tehoelektroniikan kehitykselle. Tämän teknologian avulla voidaan tehokkaammin ohjata ja muuntaa sähköä, mikä on elintärkeää, kun halutaan siirtyä fossiilisista polttoaineista uusiutuviin energialähteisiin. Lähivuosikymmeninä voimatekniikan rooli tulee vain kasvamaan, sillä energian kulutus kasvaa globaalisti ja sähkö tulee olemaan keskeinen osa monenlaisten sovellusten energiatukea.

Miksi kelluvan kondensaattorin hallinta on ratkaiseva tekijä monitasoinvertterin vakaudessa?

Kelluvan kondensaattorin merkitys monitasoinvertterin (CMLI) rakenteessa on usein aliarvioitu, vaikka juuri sen vakaus määrittää koko järjestelmän luotettavuuden ja hyötysuhteen. Kun kondensaattori joutuu käsittelemään verkkojaksolla vaihtuvaa virtaa, sen kapasiteetin mitoitus ei voi olla mielivaltainen. Kapasitanssin arvo määritetään tasapainottamalla varaus verkkojaksolla siten, että jänniterippeli pysyy pienessä, ennalta