Hoe WBG-diodes Nonlineaire Capacitoren in Hoogspannings-NLTL’s Realiseren

De ontwikkeling van niet-lineaire transmissielijnen (NLTL) voor hoogspannings toepassingen heeft de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgangen geboekt, mede dankzij de integratie van breedband-gap (WBG) halfgeleiders zoals SiC en GaN. Deze materialen bieden unieke voordelen die de prestaties van NLTL's aanzienlijk kunnen verbeteren, vooral wanneer hoge spanningen en frequenties vereist zijn. De grote kritische elektrische veldsterkte van WBG-materialen, die tot 10 keer hoger is dan die van silicium, vertaalt zich in een 350- tot 400-voudige verbetering van de unipolaire figuur-van-merit (V²br / Ron,sp). Deze eigenschappen maken WBG-diodes bijzonder geschikt voor het realiseren van de niet-lineaire capaciteiten die nodig zijn in hoogspannings-NLTL’s.

In een NLTL, dat is ontworpen om pulsen te comprimeren, kunnen WBG-diodes als variabelen condensatoren fungeren. Dit stelt ontwerpers in staat om de schakelsnelheid te maximaliseren en tegelijkertijd verliezen bij hoge frequenties te minimaliseren. Dankzij een dunne driftlaag en een verhoogde dopingconcentratie kunnen deze diodes werken bij veel hogere spanningen dan siliciumdiodes, zonder dat de schakelsnelheid of de efficiëntie wordt aangetast. Dit maakt ze uitermate geschikt voor toepassingen in pulspower, ultrafast elektrische pulsegeneratie en bijvoorbeeld direct energy weapons.

Desondanks brengt het gebruik van WBG-diodes ook uitdagingen met zich mee, vooral op het gebied van verpakking. De eerste prototypes die SiC-diodes gebruikten, maakten gebruik van commerciële behuizingen met pennen, die de grootte en het gewicht van de schakeling vergrootten en parasitaire inductie toevoegden. Dit is een belangrijk aandachtspunt bij de ontwikkeling van NLTL’s op basis van WBG-technologie, omdat dergelijke inducties de prestaties van de schakelingen negatief kunnen beïnvloeden. De tweede prototypevariant maakte gebruik van GaN-diodes zonder behuizing, die rechtstreeks op een printplaat waren bevestigd. Dit reduceerde de grootte en het gewicht van het systeem, maar vergde wel fragiele assemblage en vereiste gespecialiseerde passivatie voor hoogspanningsbediening.

Een ander belangrijk punt van aandacht is de beperkte capaciteit van de WBG-diodes per apparaat. Hoewel deze diodes geschikt zijn voor hoge spanningen, is de hoeveelheid opgeslagen capaciteit relatief laag in vergelijking met keramische diëlektrica. In de eerste testfase van de GaN-NLTL waren zeven diodes nodig om ongeveer 1 microjoule op te slaan bij 100 V, wat aangeeft dat voor grotere capaciteitsvereisten meerdere diodes noodzakelijk zijn, of dat er op maat gemaakte ontwerpen nodig zijn met specifieke dopingprofielen.

Het gebruik van NLTL’s met WBG-diodes biedt een veelbelovende route voor het genereren van hoogfrequente, hoogspanningpulsen zonder de noodzaak voor afzonderlijke zware hoogspanningsvoedingen of frequentie-versterkers, wat het ontwerp aanzienlijk vereenvoudigt. Dit zou in de toekomst toepassingen kunnen vinden in technologieën zoals koude plasma-generatie en andere power-elektronica waar zowel hoge spanning als hoge frequentie vereist zijn.

Hoewel deze benadering in staat is om hoge spanningen direct te genereren vanuit een lage spanning, moeten de pulsgenerator en het triggersysteem uiteindelijk op dezelfde printplaat worden geïntegreerd als de NLTL. Dit vereist slechts een klein oppervlak op de PCB, wat het ontwerp compacter maakt en de integratie vergemakkelijkt.

Bij het verder ontwikkelen van NLTL’s die gebruik maken van WBG-diodes, is het van cruciaal belang om de diodes specifiek te optimaliseren voor gebruik als varactoren, aangezien de huidige ontwerpen voornamelijk zijn geoptimaliseerd voor gebruik in conventionele krachtomvormers. Bovendien is het noodzakelijk om de effecten van parasitaire capacitantie en inductie nauwkeurig in het ontwerp te integreren om de prestaties van de NLTL in de praktijk te waarborgen.

Hoe kan men de optimale architectuur van een hoogspannings DC-DC omzetter ontwerpen met een afgewogen compromis tussen vermogensdichtheid en efficiëntie?

De ontwikkeling van efficiënte en compacte DC-DC omzetters met hoge spanningen vereist een diepgaande benadering die het ontwerp niet alleen vanuit een component- of moduleperspectief bekijkt, maar vooral vanuit een architectuurniveau. Het concept van een “karakteristiek profiel” biedt hiervoor een krachtige benadering: het stelt ontwerpers in staat om het optimale compromis te vinden tussen kritieke ontwerpmetrics, zoals vermogensdichtheid en nominale omzetterkwaliteit (Qnom), binnen de grenzen van een bepaalde converterarchitectuur.

Door de verschillende combinaties van deze blokken ontstaan theoretisch duizenden mogelijke architecturen, waarvan echter slechts een fractie daadwerkelijk inzetbaar is binnen de spanningslimieten van de gebruikte halfgeleiders. Bovendien kunnen sommige configuraties worden geëlimineerd vanwege redundantie, wat leidt tot een gereduceerde set van haalbare ontwerpen.

Het directe doorrekenen van alle mogelijke ontwerpvariabelen, die alleen al per module uit meerdere variabelen bestaan (zoals het aantal fasen, het aantal halfgeleiderchips, inductantie, kernmateriaal en koperdikte), leidt tot een astronomisch aantal combinaties. Deze brute-force benadering is dus onpraktisch.

Daarom wordt gekozen voor een alternatieve methode, waarbij de architectuuroptimalisatie berust op het zogenaamde karakteristieke profiel van enkelvoudige half-bridge converters (zoals boost of buck) – een curve die het beste haalbare compromis weergeeft tussen vermogensdichtheid en nominale Q bij worst-case en nominale bedrijfspunten. Dit profiel wordt opgesteld door numerieke analyses van ontwerpdata en maakt het mogelijk een Pareto-front te bepalen: de grenslijn waarbinnen de beste prestaties tegen de laagste volume- en efficiëntieverliezen worden gerealiseerd.

Uit analyses blijkt dat dit Pareto-front binnen een relevant vermogensdichtheidsbereik lineair kan worden benaderd, wat de toepassing van het karakteristieke profiel in hogere architectuurniveaus vereenvoudigt. Daarnaast kunnen bepaalde variabelen in het model worden genegeerd, bijvoorbeeld door het toepassen van meerfasige ontwerpen (waardoor het maximale vermogen verdeeld wordt over meerdere modules) en faselaanschakelingsstrategieën, wat het aantal benodigde parameters voor de karakteristieke curve aanzienlijk reduceert.

Naast de technische aspecten is het belangrijk te realiseren dat de uiteindelijke systeemprestatie niet alleen bepaald wordt door de gekozen architectuur, maar ook door het juiste gebruik en beheer van de verschillende operationele modi van de convertermodules. Het begrip van de dynamische werkingspatronen en de onderlinge afhankelijkheid tussen de blokken is cruciaal. Bovendien beïnvloeden externe factoren zoals temperatuur, schakelverliezen en elektromagnetische interferentie (EMI) ook het ontwerp en de implementatie. Voor een holistisch ontwerp is het daarom van belang dat de ingenieur ook aandacht besteedt aan de integratie van de converter in het volledige energiesysteem, inclusief thermisch beheer en beveiliging tegen overspanning.

De Toekomst van Elektrificatie: Solid-State Transformers als Oplossing voor Netverbindingen

De wereld is momenteel in de greep van een razendsnelle transitie naar duurzame energiebronnen. Het gebruik van zonne-energie, elektrische voertuigen en energieopslagsystemen groeit in een tempo dat weinigen voor mogelijk hadden gehouden. Een belangrijke katalysator voor deze verandering is de daling van de kosten van elektrische componenten, die het makkelijker maakt om over te stappen op elektrificatie. In de Verenigde Staten bijvoorbeeld, wordt verwacht dat er de komende 15-20 jaar maar liefst 3000 GW aan nieuwe elektrische verbindingen nodig zullen zijn om het energienet te versterken. Dit vraagt om een schaalvergroting van de infrastructuur en brengt uitdagingen met zich mee, zoals tekorten in de toeleveringsketen voor transformatoren en de materialen die nodig zijn voor hun productie, zoals staal en koper.

De traditionele transformator is essentieel in de meeste elektriciteitsnetten, vooral op het gebied van de omzetting van hoogspannings- naar laagspanningsstroom. Het basisprincipe van een SST als vervanger van de conventionele transformator bestaat uit drie hoofdfasen. Eerst wordt de wisselstroom (AC) omgezet in gelijkstroom (DC) via een inverter. Vervolgens zorgt een tweede DC/DC-converter, zoals de dual-active-bridge (DAB), voor galvanische isolatie tussen het netwerk en de uiteindelijke lading. Ten slotte wordt de gelijkstroom opnieuw omgezet naar een lage spanning die geschikt is voor eindgebruik. Dit proces maakt gebruik van een hoge frequentie voor de isolatie, wat resulteert in een compacter ontwerp en verhoogde efficiëntie vergeleken met traditionele transformatoren.

In de praktijk zijn er verschillende benaderingen ontwikkeld om deze obstakels te overwinnen. De modulaire multilevel converter (MMC) is bijvoorbeeld een veelgebruikte techniek die momenteel in high-voltage DC-toepassingen wordt ingezet. Dit systeem maakt gebruik van een cascaderende opbouw van apparaten die gezamenlijk de gewenste spanning kunnen leveren. Hoewel dit een effectieve oplossing is voor DC-toepassingen, blijkt het moeilijk te implementeren voor de directe aansluiting op het elektriciteitsnet, vooral bij wisselstroom (AC) toepassingen. Een andere benadering is het gebruik van DC/DC-converters met een hogere schakelfrequentie, die kunnen opereren in het bereik van 2-20 kHz. Dit biedt de mogelijkheid om de grootte van de converter te verkleinen, wat essentieel is voor veel toepassingen, maar brengt tegelijkertijd uitdagingen met zich mee op het gebied van het beheer van de schakellosses en de algehele efficiëntie van het systeem.

De ontwikkelingen rondom SST’s zijn bijzonder relevant in de context van de toenemende vraag naar elektrificatie en duurzame energie. Het gebruik van WBG-technologie kan de efficiëntie van energieconversie aanzienlijk verbeteren, en biedt een oplossing voor de druk die de traditionele transformatoren momenteel op de toeleveringsketen uitoefenen. Hoewel de technologie nog in ontwikkeling is, heeft de vooruitgang die is geboekt, met name door onderzoeksinstellingen zoals de Georgia Tech Center for Distributed Energy, de weg vrijgemaakt voor grotere schaaltoepassingen.

Hoe draagt de integratie van WBG-geschakelde current source inverters bij aan hogere vermogensdichtheid en thermische prestaties in geïntegreerde motoraandrijvingen?

De prototypes van current source inverters (CSI) in geïntegreerde motoraandrijvingen (IMD) tonen aanzienlijke verbeteringen ten opzichte van conventionele niet-geïntegreerde motoraandrijvingen, vooral op het gebied van vermogensdichtheid en efficiëntie. Met een specifieke vermogensdichtheid van ongeveer 8,93 kW/kg en een volumetrische vermogensdichtheid van 9,14 kW/L, overschrijdt de CSI-IMD ruimschoots de eerder gestelde projectdoelstellingen van respectievelijk 8 kW/kg en 5 kW/L. Deze prestaties zijn grotendeels te danken aan het gebruik van nanokristallijn materiaal voor de kern van de common-mode choke (CMC), waardoor verliezen worden geminimaliseerd, en aan het reduceren van de inductormassa door verhoging van de schakelingsfrequentie. De inductie werd teruggebracht van 530 μH naar 320 μH, wat leidde tot een reductie van de inductormassa met 37%, van 245 g naar 154 g. Hierdoor blijft het gewicht van de zwaarste component relatief laag, wat cruciaal is voor de hoge specifieke vermogensdichtheid.

De elektromagnetische interferentie (EMI) blijft binnen de limieten, met de common-mode EMI onder de 100 dBμV grenswaarde, wat de geschiktheid voor toepassingen waar elektromagnetische compatibiliteit essentieel is, onderstreept. Tegelijkertijd levert de CSI een zeer schone stroomvorm met een totale harmonische vervorming (THD) van circa 2,5% bij vol vermogen, wat significant onder de toegestane 8% blijft. Dit resultaat wijst op de bijna sinusvormige spanning en stroomkarakteristieken die de motorwikkelingen minder mechanisch en thermisch belasten dan traditionele spanningsgestuurde inverters (VSI).

Belangrijk is dat de integratie van de elektronica binnen de motorbehuizing niet alleen ruimtebesparend werkt, maar ook de noodzaak voor externe kabelverbindingen vermindert, wat de elektromagnetische en mechanische integriteit verbetert. De toepassing van Wide Bandgap (WBG) halfgeleiders, zoals SiC, is een cruciale factor in het behalen van deze verbeterde prestaties. Hun lagere schakelfrequentieverliezen en hogere thermische tolerantie maken het mogelijk om met hogere schakelfrequenties en lagere inducties te werken, waardoor zowel de vermogensdichtheid als de efficiëntie van de inverter aanzienlijk worden verbeterd.

Naast de technische specificaties is het voor de lezer van belang te begrijpen dat de optimalisatie van vermogensdichtheid en thermisch beheer niet alleen draait om individuele componentprestaties, maar vooral om de harmonieuze integratie van materialen, ontwerp, en koelingsstrategieën binnen een compact systeem. Dit vraagt een multidisciplinaire aanpak waarin materiaalkunde, elektrische engineering en thermodynamica samenkomen. Hierdoor ontstaan nieuwe mogelijkheden voor compacte, efficiënte en betrouwbare geïntegreerde motoraandrijvingen die voldoen aan de hoge eisen van moderne elektrische aandrijftechnologieën, zoals toegepast in elektrisch vervoer en industriële automatisering.

Verder dient men zich bewust te zijn van de invloed die dergelijke geïntegreerde systemen hebben op het gehele aandrijfsysteem, inclusief de vermindering van elektromagnetische storingen, de verbeterde betrouwbaarheid door minder aansluitpunten en een mogelijk lagere systeemkost door verminderde mechanische en elektronische complexiteit. Het is bovendien essentieel om te beseffen dat de schaalbaarheid en de aanpasbaarheid van deze technologie bepalend zullen zijn voor de commerciële adoptie, waarbij optimalisaties in thermisch ontwerp en materiaalgebruik blijven evolueren.