Какое максимальное напряжение может выдержать кремний?

10

Сегодня в борьбе за эффективность мы перешли от трансформаторов к импульсным источникам питания. Почти все блоки питания были разработаны для однофазного низковольтного режима (220 В переменного тока / 310 В постоянного тока в моей стране). Я никогда не видел 380-вольтовые трехфазные блоки питания ATX мощностью 3 кВт для ПК, несмотря на их эффективность и низкий уровень пульсаций. Они были бы очень полезны для стеков графических процессоров. Я думаю, что это в основном потому, что электролитические конденсаторы не могут выжить выпрямленного 660 В постоянного тока.

И может быть даже лучше выпрямить линию среднего напряжения 10 кВ, как это обычно бывает в деревенском трансформаторе. Но какое предельное напряжение кремниевых устройств (МОП-транзисторов) может выдержать без разрушения?

psmears
источник
13
Как вы думаете, существует ли большой рынок для трехфазных трехфазных источников питания ATX мощностью 3 кВт? Возможно ли, что никто не строит эти поставки, потому что не хватает покупателей, а не из-за фундаментальных технических ограничений?
Эллиот Олдерсон
9
Я предположил бы, что не много людей имеют 3-фазные розетки, легко доступные в их доме. Те, кто это делает, могут также приобрести специализированное оборудование, которое может не соответствовать форм-фактору ATX.
ilkkachu
5
@ xakepp35 Требование высокого выходного тока для конкретной шины не означает, что вам требуется трехфазный блок питания. Вы можете легко получить однофазные блоки питания 1200 Вт и даже 1500 Вт, эффективность которых выше 95% при стандартной нагрузке 80-90%, что более чем достаточно для устройств, которые фактически используют блок питания форм-фактора ATX.
Остин Хеммельгарн,
3
Трехфазное питание для такого маломощного устройства, как 3 кВт, кажется совершенно бессмысленным. Стандартные настенные розетки в британских домах уже могут подавать по 3 кВт каждая (однофазное напряжение 240 В 13 А), и в комнате, где я набираю этот комментарий, есть 6 таких розеток! Я предполагаю, что стандартные электрические коды других стран аналогичны.
alephzero
2
В Великобритании у нас, как правило, есть наши розетки на 32А, 240В, поэтому нам редко приходится беспокоиться о слишком большой нагрузке на одну цепь. Другие страны, как правило, имеют более низкие номинальные розетки.
Питер Грин,

Ответы:

32

Вы можете получить тиристоры на 8 кВ (на несколько тысяч ампер) для использования в преобразователях HVDC. Затвор оптически связан по очевидным причинам, а также потому, что при использовании в тандеме на линиях HVDC различия в скорости движения затвора между последовательно соединенными тиристорами важны, а оптический немного более четок по скорости: -

введите описание изображения здесь

Сложите несколько вместе в лоток с различными дополнениями, которые вам нужны для безопасного управления ими (амортизаторы и т. Д.), И вы получите один из них: -

введите описание изображения здесь

Затем вы строите памятник богам Мегавольта, складывая лотки так:

введите описание изображения здесь

Обратите внимание на маленького парня внизу.

Что касается мощности, я читал, что для управления мощностью 20 МВт требуется 40 грамм кремния, и многие из этих установок в буквальном смысле тысячи и более МВт.

И может быть даже лучше, чтобы выпрямить линию среднего напряжения 10 кВ, как это обычно происходит в сельском трансформаторе.

Ах, но вы не получаете надежную безопасную изоляцию - одна поломка и 10 кВ в вашей домашней проводке не годятся. Кроме того, точка безубыточности на линии HVDC по сравнению с обычной линией переменного тока составляет много-много миль.

Где находятся 3-фазные блоки питания от 380 В до 12 В?

Хорошо, есть техническая загвоздка, которая присуща схеме, используемой в течение многих лет в «стандартной» схеме трехфазного выпрямителя:

введите описание изображения здесь

Проблема в том, как они переключаются и корректируют коэффициент мощности. В старые добрые времена никто не заботился, но в наши дни чистота и чистота поставок имеют первостепенное значение во многих странах. И это проблема со стандартным 3-фазным выпрямителем - он не может быть исправлен PF, потому что диоды не могут проводить от 0 вольт до 0 вольт (в течение половины цикла) из-за эффекта блокировки других фаз и их диодов. Импульсный ток, взятый от 3-х фазного источника питания, действительно плохой.

Решение состоит в том, чтобы использовать три однофазных (и с поправкой на PF) питания, подающих всю мощность на общую шину постоянного тока. Таким образом, современный трехфазный импульсный источник питания - это фактически три однофазных источника питания.

Как тиристоры HVDC делают это, спросите вы? Они используют фильтры размером с небольшие дома, чтобы погасить генерируемые гармоники.

введите описание изображения здесь

Обратите внимание на относительный размер фильтров гармоник по сравнению с «клапанным залом», где находятся все тиристорные «клапаны». Всевозможные фильтры с двойной и одинарной настройкой используются только для удаления этих гармоник, и, если один и тот же метод использовался в более обычных стандартных трехфазных импульсных источниках питания (те, которые никогда не будут соответствовать современному законодательству), то догадайтесь, что; стоимость фильтрации превышает добавленную стоимость отдельных расходных материалов со встроенной коррекцией ПФ.

Не могли бы вы предоставить ссылку на название модели или хотя бы назвать серию продуктов?

Тиристорные диски Infineon мощностью до 8 кВ и 4800 ампер .

Энди ака
источник
Я не знал, что вы имели в виду под оптически связанными (или какие очевидные причины применимы), поэтому я немного почитал Википедию, которая достаточно хорошо объяснила ситуацию. Тем не менее, я отмечаю, что статья в Википедии, хотя она и отмечает использование и преимущества оптической связи, предполагает, что она все еще не распространена, и электрическая связь все еще более нормальная. Будет ли эта статья устаревшей? Или, может быть, версии на 8 кВ получают оптическую связь?
KRyan
@KRyan наверняка, оптически связанные светодиоды являются резервом высоковольтных типов, которые я упоминал в своем ответе.
Энди
Ах, я говорил неясно: Википедия говорила о «HVDC» - особенно высоко в этой категории 8 кВ?
KRyan
1
Я могу ответить за одного из них. Мы перестали использовать оптически связанные тиристоры в 80-х годах.
Винни
1
@ Barleyman Нет, это не сработает - подумай или нарисуй, чтобы увидеть проблемы. По крайней мере, наиболее активная фаза (наиболее положительно достигающая максимума) будет изменять смещение мостов двух других фаз, что означает, что в течение значительного периода цикла от них не может быть тока, а это означает, что коррекция PF не может работай.
Энди ака
8

Но какой предел напряжения у кремниевых ключей (мосфецов) может выжить без прорыва?

Там практически нет предела; если ваше напряжение превышает напряжение пробоя какого-либо компонента, поставьте два последовательно.

Существуют кремниевые полупроводниковые выпрямители для передачи высокого напряжения постоянного тока. Они работают около 800 кВ или выше.

Тем не менее было бы глупо пытаться использовать несколько кВ в качестве входа для источника питания, который в конце концов генерирует напряжение на три порядка меньше. Кроме того, невероятно опасно работать с несколькими кВ в домашних установках, просто невозможно (изоляция может легко стать толще, чем кабельные отверстия).

Маркус Мюллер
источник
Хм, меня в первую очередь интересовали расходные материалы для процессоров и графических процессоров, кажется, им нужно где-то около 1 вольт и бесконечно много усилителей (чем больше у вас есть, тем больше чипов вы можете усилить). Так есть ли какое-то устройство, которое может преобразовать 10 кВ 1 ампер в 1 в 10 кАмп?
1
Что бы вы положили между входом 10 кВ и вашими 10000 графическими процессорами? А трансформатор 10к-> 380? Или существует какой-то мощный 10-киловольтный блок питания?
10 кВ может быть понижен, вероятно, 2 или более раз, чтобы достичь 400 В или около того, что затем может быть выпрямлено в постоянный ток, а импульсные источники питания уменьшат его при необходимости.
CrossRoads
6
Блок питания 1 В 10 кА больше похож на большой точечный сварочный аппарат, чем на разумное устройство внутри компьютера. Учитывая резистивные потери, представляется разумным распределить мощность при 240 В и преобразовать с понижением частоты как можно ближе к точке использования.
pjc50
2
@ xakepp35 Самые большие поставки ПК, которые я видел от уважаемого производителя, - 2 кВт (бывший FSP ). Я видел немного более высокие безымянные юниты из Китая, но не хотел бы находиться в любом здании, где он находится под напряжением. Вероятно,> 90% их выходной мощности в конечном итоге подается около 1 В, но в пределах нескольких дюймов печатной платы по понятным причинам. Я не удивлюсь, если некоторые большие блейд-корпуса / стоечные PDU смогут работать с мощностью 10 кВт, хотя я думаю, что они обычно используют более высокое промежуточное напряжение постоянного тока, чем 12 В ATX.
Дэн возится с огнем
2

Они на самом деле строят твердотельные трансформаторы с большей эффективностью и контролем, они работают на 7,2 кВ

Рабочая лошадка силовой электроники, кремниевый биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) лучше подходит. Эти устройства были использованы для создания SST для железнодорожного транспорта в Европе. И они, конечно, быстрее. Но самые строгие коммерческие устройства могут выдерживать напряжение до 6,5 киловольт. Несмотря на то, что это напряжение пробоя идеально подходит для ряда областей применения, его недостаточно для управления электричеством, которое протекает через распределительные трансформаторы; в Соединенных Штатах типичное напряжение на нижнем конце спектра составляет 7,2 кВ.

Они используют карбид кремния, который имеет большую запрещенную зону и более устойчив к проблемам с нагревом:

К счастью, кремний не единственный вариант. За последние 10 лет были достигнуты большие успехи в разработке переключателей на основе сложных полупроводников, в частности, карбида кремния. Карбид кремния обладает рядом привлекательных свойств, обусловленных его большой запрещенной зоной - энергетическим барьером, который необходимо преодолеть, чтобы переключиться с изолятора на проводник. Ширина запрещенной зоны карбида кремния составляет 3,26 электрон-вольт против 1,1 эВ кремния, что означает, что материал может подвергаться воздействию значительно более высоких электрических полей и температур, чем кремний, без разрушения. И поскольку этот составной полупроводник может выдерживать гораздо более высокие напряжения, построенные из него силовые транзисторы могут быть сделаны более компактными, что, в свою очередь, позволяет им переключаться намного быстрее, чем их кремниевые аналоги.

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

Скачок напряжения
источник
Мне трудно в это поверить (7 кВ). Разве они не сложены устройства с каждым переходом на 1200 В?
Питер Мортенсен
AFAIK Европейские скоростные поезда ходят при 25 кВ.
MSalters
25 кВ - напряжение питания; он трансформируется в поездах примерно до 1500 В.
Майкл Харви,
@PeterMortensen Я полагаю, что исходная статья пытается решить эту проблему (между двумя пунктами, приведенными здесь). Я не квалифицирован, чтобы судить о его действительности.
Дэн возится с огнем
2

Мицубиси IGBT гибриды с FET вводом BJT выходами теперь могут переключаться мегаваттом и очень высокое напряжение 15 кВ и также используются в интеллектуальных преобразователях мощности и 60 ГТИ в массивах для резервирования до таких , как единиц меньшего GTI в компании Huawei 2000S 50KW.

Ниже представлен гибридный IGBT Mitsubishi, имеющий множество патентов на исключительно высокую энергию переключения и крайне низкий внутренний драйвер ESL и ESR. (индуктивность и сопротивление) Я думаю, что они работают над своим 8-м поколением. введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

TI также имеет отличную информацию о дизайне своих IGBT

Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
источник
4
Спасибо! Не могли бы вы предоставить ссылку на название модели или хотя бы назвать серию продуктов?
3
Как вы думаете, вы можете исследовать себя
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
(-1 для язвительного комментария "просто погугли это" в защиту ответа с очень малыми усилиями)
user371366
@ dn3s Я обычно прилагаю больше усилий, чем вопрос, это не выдумка, это обучение учеников тому, как быть менее зависимыми google.com/…
Тони Стюарт Саннискигюй EE75
этот сайт не предназначен для обучения. Цель stackexchange - быть ссылкой, а не форумом. В любом случае, рад видеть, что вы улучшили свой ответ, я удалил свой -1 (хотя он все еще выглядит как реклама для определенного продукта, в то время как другие ответы более непосредственно касаются самого вопроса)
user371366