Hoe worden geavanceerde halfgeleidermodules en regelingstechnieken toegepast in midden- en laagspannings Solid-State Transformatoren?

De ontwikkeling van midden- en laagspannings Solid-State Transformatoren (SST’s) vereist diepgaande optimalisaties in halfgeleidertechnologie en regelmethoden om efficiënte, betrouwbare en compacte systemen te realiseren. Bij de halfgeleidermodules speelt het gebruik van siliciumcarbide (SiC) technologie een centrale rol vanwege de hoge spanningsbestendigheid en lage schakelingen verliezen. Een voorbeeld hiervan is een op maat gemaakte 3,3 kV SiC reverse-blocking module van Cree, waarbij SiC diodes in serie zijn geschakeld met SiC MOSFETs in een omgekeerde blokkerende configuratie. Deze combinatie maakt het mogelijk om de piekspanningen aan te kunnen en tegelijkertijd de schakelverliezen aanzienlijk te reduceren.

Aan de laagspanningszijde worden vanwege het ontbreken van commerciële reverse-blocking modules discrete halfgeleiders gebruikt, zoals Infineon IKW75N65EL5 Si IGBTs en GeneSiC SiC diodes, die parallel geschakeld zijn om aan de stroomvereisten te voldoen. De prestaties van deze modules worden gemeten met behulp van een double-pulse testopstelling, die het gedrag onder harde en zachte schakeling simuleert. De resultaten tonen aan dat door Zero Voltage Switching (ZVS) technieken een reductie van meer dan 90% in schakelverliezen haalbaar is, wat cruciaal is voor de algehele efficiëntie en warmtebeheer van het systeem.

In het ontwerp van filters is een innovatieve aanpak gekozen om het volume van de DC-link condensatoren te reduceren. Een buffercondensatorpoort absorbeert de enkele fase vermogensrimpel, wat resulteert in een aanzienlijke volumevermindering van meer dan 50% ten opzichte van conventionele ontwerpen. Dit verbetert niet alleen de vermogensdichtheid maar draagt ook bij aan spanningsbalancering en transientenergieabsorptie, vergelijkbaar met een slack bus in elektrische netwerken.

De besturing van de SST maakt gebruik van voorspellende regelalgoritmen die inspelen op de dynamische vermogensstromen tussen de drie poorten van het systeem (laagspanning, midden- en bufferpoort). Deze controle combineert actieve vermogensontkoppeling met een gereduceerde DC-link, waarbij complexe berekeningen van stroomreferenties en dwellduurcycli zorgen voor een stabiele vorming van de AC-uitgangsspanning en een nauwkeurige regeling van de vermogensbalans. Door het toepassen van modelgebaseerde voorspellingen kan de controller snel reageren op veranderingen en tegelijkertijd het systeem stabiel houden binnen veilige bedrijfsgrenzen.

Belangrijk is ook de erkenning van de impact van vermogensrimpels en harmonischen op systeemstabiliteit en levensduur. Het bufferconcept en de nauwkeurige voorspelling van vermogensstromen dragen hier wezenlijk aan bij. Verder verdient de rol van de ZVS-techniek bijzondere aandacht: door het minimaliseren van schakelschade en verliezen worden niet alleen efficiëntieverbeteringen gerealiseerd, maar ook een verlenging van de operationele levensduur van de halfgeleiders.

Het geheel benadrukt dat de toekomstige adoptie van SST’s afhangt van een diepgaande afstemming tussen elektrische, thermische en regeltechnische disciplines, waarbij innovatieve materialen en controleprincipes de basis vormen voor betrouwbare, efficiënte en compacte energieomzetters in de midden- en laagspanningswereld.

Wat zijn de belangrijkste voordelen van soft-switching solid-state transformatoren voor de energietransitie?

Een van de belangrijkste obstakels voor de commercialisering van de bestaande ontwerpen van MV-S4T was de onmogelijkheid om de prijzen van de benodigde 3,3 kV apparaten te verlagen in overeenstemming met de marktvraag. De prijsdaling voor deze apparaten volgde niet snel genoeg, wat de schaalvergroting van de technologie bemoeilijkte. Tegelijkertijd was er geen geschikte strategie om converters die werken volgens grid-followingprincipes adequaat te beheren over een breed scala aan operationele condities. Het gebrek aan een universele regeling voor converters die grid-forming inverters zouden ondersteunen, maakte het moeilijk om deze technologie op grote schaal te implementeren zonder voortdurende afstemming en aanvullende apparatuur.

De technologische vooruitgang in de ontwikkeling van silicon-carbide (SiC) halfgeleiders heeft een doorslaggevende rol gespeeld in de ontwikkeling van de S4T. SiC-technologie biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele siliciumcomponenten, vooral in de vermogensbereiken die cruciaal zijn voor de energietransitie. De mogelijkheid om soft switching te bereiken bij alle belastingsniveaus zorgt ervoor dat de S4T kan opereren met gecontroleerde spannings- en stroomdaling (dv/dt), wat bijdraagt aan de verbetering van de systeemstabiliteit en het verminderen van elektromagnetische interferentie (EMI). Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van traditionele hard-switching converters die vaak last hebben van parasitaire koppeling van transiënte stromen en andere technische problemen.

De voordelen van SiC-technologie worden steeds duidelijker naarmate de prijs van 3,3 kV en hogere SiC-modules langzaam daalt. Dit biedt hoop voor de verdere ontwikkeling en commercialisatie van MV-SST-oplossingen in de komende jaren. Het is te verwachten dat de komende vijf jaar een breed scala aan oplossingen op de markt zullen komen, waardoor de overgang naar solid-state transformatoren (SST) verder zal versnellen. De bijdrage van ARPA-E is van essentieel belang gebleken in dit proces, door de transformatie van traditionele laminaten naar solid-state oplossingen te stimuleren.

Verder moet benadrukt worden dat de technologie van de S4T niet alleen technische voordelen biedt, maar ook economische voordelen voor de implementatie van duurzame energie. De mogelijkheid om converters modulair te schalen naar grotere vermogens biedt flexibiliteit voor diverse toepassingen, van lokale energienetwerken tot grootschalige industriële toepassingen. Ook de integratie van opslagcapaciteit in deze systemen maakt het mogelijk om energie op te slaan en te distribueren op momenten dat de vraag het hoogst is, wat de veerkracht van het net verhoogt.

Een ander belangrijk aspect is de impact van deze technologie op de wereldwijde energietransitie. Soft-switching solid-state transformatoren kunnen het gebruik van hernieuwbare energie efficiënter maken door de kosten van energieopslag en -distributie te verlagen. Door de consolidatie van meerdere functies in één converter, wordt niet alleen de fysieke ruimte die nodig is voor energie-infrastructuur verkleind, maar ook de operationele kosten verlaagd. Dit zal helpen om de overgang naar een koolstofarm energiesysteem wereldwijd te versnellen.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat de energieoverdracht en -distributie systemen van de toekomst steeds complexer en dynamischer zullen worden. De technologische ontwikkelingen die nu plaatsvinden met S4T, zullen ons in staat stellen deze uitdagingen aan te gaan, niet alleen door de efficiëntie van de apparaten zelf te verbeteren, maar ook door systemen te creëren die zich kunnen aanpassen aan de veranderende eisen van een duurzaam energiesysteem. De flexibiliteit en aanpasbaarheid van deze systemen maken ze essentieel voor de toekomstige netwerken die zowel betrouwbaarheid als duurzaamheid moeten bieden.

Hoe kunnen meerlagige omzetters en actieve ruisonderdrukking de beperkingen van WBG-apparaten overwinnen?

Meerlagige omzetters (multi-level converters) bieden een veelbelovende benadering om deze uitdagingen aan te pakken. Door het vermogen te verdelen over meerdere spanningsniveaus, kunnen ze de schakelfrequentie effectief verhogen zonder de individuele apparaten aan dezelfde elektrische stress bloot te stellen. In plaats van één grote spanningssprong per schakeling, worden kleinere stappen gebruikt, waardoor de gegenereerde golfvorm meer sinusvormig wordt en de EMI aanzienlijk wordt verminderd. De effectieve schakelfrequentie neemt toe – bijvoorbeeld bij een vijf-niveausomzetter tot vier keer de schakelfrequentie van het individuele apparaat – wat resulteert in een aanzienlijke verkleining van passieve filtercomponenten. Theoretisch kan een vijf-niveausomzetter de filtergrootte met 75% verminderen ten opzichte van een tweelaagsconfiguratie.

Tegelijkertijd verlaagt de meerlagige benadering ook de spanningsstress op individuele componenten. Dit maakt het mogelijk om apparaten met optimale RDS(on)-waarden te selecteren, die worden bepaald door de epitaxiale laag van het halfgeleiderapparaat en daardoor sterk afhankelijk zijn van de spanningsclassificatie van het component. Het resultaat is een converter die tegelijkertijd efficiënter, betrouwbaarder en compacter is.

Het CONDENCE-project, ondersteund door ARPA-E en het Amerikaanse Ministerie van Energie, heeft een doorbraak gerealiseerd met een innovatieve vijf

Hoe de Inductantie van de Schakelcombinatie in FCML-converters te Minimaliseren en de Efficiëntie te Verbeteren

Het optimaliseren van de inductantie van schakelcombinatielussen in FCML-converters (Flying Capacitor Multilevel Converters) is van cruciaal belang voor het verbeteren van de algehele prestaties van de converter, zonder dat het aantal componenten of de lay-outruimte toeneemt. Recente onderzoeken hebben verschillende technieken onderzocht om de inductantie van deze lussen te minimaliseren, waaronder het gebruik van ontkoppelingscondensatoren en het ontwerpen van interne stroomterugkeerpaden in de lay-out van de converter. Andere benaderingen voegen afschermingslagen toe om magnetische velden die ontstaan door de commutatie van de stroom te neutraliseren. Er zijn ook ontwerpen die de schakelpad van de schakelaar zodanig rangschikken dat de magnetische velden die door de stroomcommutatie worden gegenereerd, binnen de lus worden gecompenseerd. In al deze gevallen wordt de inductantie van de commutatie in het ontwerpproces van de converter aangepakt, waardoor converters met hoge prestaties mogelijk zijn zonder extra snubbercircuits.

Daarnaast bevatten FCML-converters veel zwevende schakelaars die onafhankelijk aangestuurd moeten worden. Het aandrijven van deze schakelaars op een kosteneffectieve manier zonder de systeemcompactheid of efficiëntie in gevaar te brengen, blijft een uitdaging. In sommige FCML-implementaties, zoals die beschreven in [23], heeft de stuurcircuits van de schakelaars een aanzienlijke voetafdruk en maakt het een aanzienlijk deel uit van het systeemvolume. Bij het gebruik van GaN-schakelaars in FCML-converters komt een extra uitdaging naar voren: het aandrijven van de schakelaars met een lagere poort-bronspanning, typisch in het bereik van 5 tot 6,5 V, in tegenstelling tot siliciumapparaten die hogere stuurspanningen kunnen verdragen. FCML-ontwerpen moeten ervoor zorgen dat de stuurspanning niet significant varieert tussen de verschillende schakelaars, om een mismatch van de weerstand in de ingeschakelde toestand van de schakelaars te voorkomen, wat kan leiden tot hogere verliezen en een onbalans in de spanning van de condensatoren.

Naast de cascaded bootstrap-methode zijn er andere veelbelovende alternatieven zoals de poort-aangedreven laadpomp en de oscillatoren-aangedreven laadpomp, die de serie diodes in de bootstrappaden elimineren en zo de efficiëntie van de stuurcircuits verhogen. Dit kan vooral nuttig zijn voor toekomstige ontwerpen waarin deze schakelingen mogelijk worden geïntegreerd in op maat gemaakte stuurintegrated circuits.

Het voorgestelde ontwerp van een bidirectionele EV-lader met FCML-technologie heeft in zowel de gelijkrichter- als omvormeroperatie bewezen zeer efficiënt te zijn. De maximale efficiëntie die werd bereikt, was 99,01%, met een piekgravimetrische vermogensdichtheid van 5,5 kW/kg en een volumetrische vermogensdichtheid van 12,3 kW/L. Dit toont aan dat FCML-converters niet alleen efficiënt zijn, maar ook in staat zijn om een hoge vermogensdichtheid te leveren, wat hen zeer geschikt maakt voor diverse toepassingen.