Какое максимальное напряжение может выдержать кремний?

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?

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: -

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: -

Затем вы строите памятник богам Мегавольта, складывая лотки так:

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:

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.

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 .

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).

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

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.

TI также имеет отличную информацию о дизайне своих IGBT