Правильный выбор устройства питания зависит от размера инвертора, эффективности, возможностей охлаждения и требований к отказоустойчивости в конкретной области применения.
Электрическая инфраструктура переходит на использование инверторных источников энергии (IBR), таких как солнечные фотоэлектрические системы коммунального назначения, ветряные турбины и аккумуляторные системы накопления энергии. Синхронные генераторы имеют большие физические роторы, которые обеспечивают мгновенный запас кинетической энергии и могут выдерживать внезапные изменения частоты (RoCoF) и создавать токи короткого замыкания, в 5-10 раз превышающие номинальный ток при коротких замыканиях.
Инверторов, синхронизирующихся с существующей электрической сетью (GFL-инверторов), было достаточно, когда в сети преобладали синхронные генераторы. GFL-инвертор использует низкоомный источник напряжения для синхронизации своей выходной мощности и подачи регулируемого тока. Но по мере роста внедрения IBR сеть страдает от низких коэффициентов короткого замыкания, высоких значений RoCoF и локальной нестабильности напряжения.
Инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный (GFM-инверторы), решают эту проблему стабильности. Они спроектированы как управляемый источник переменного напряжения с виртуальным сопротивлением. GFM-инверторы автономно регулируют местное напряжение и частоту, обеспечивая искусственную инерцию и стабилизируя слабую передачу.
Внедрение GFM-инверторов зависит от физического аппаратного обеспечения. В реальных сетевых условиях GFM-инвертор должен работать при кратковременных перегрузках по току и температурных изменениях и поддерживать контуры обратной связи управления с низкой задержкой.
Операции формирования сети создают нагрузку на полупроводники
Алгоритмы управления GFM-инверторами подвергают силовые каскады электрическим, тепловым и механическим нагрузкам, которые минимизируются при обычной эксплуатации GFL-инверторов.
Кратковременные перегрузки по току и пределы безопасной рабочей зоны
В режиме GFL контрольный ток определяется программными ограничениями при любых условиях эксплуатации. Но в режиме GFM напряжение питания реагирует на скачки фазы сети или скачки нагрузки, которые вызывают скачки переходного тока через полупроводниковые переключатели.
Эти переходные токи могут привести к превышению номинальной мощности устройства. Если ток превышает рабочую зону БТИЗ в выключенном состоянии, устройство питания может заблокироваться, перегреться или выйти из строя от перенапряжения.
Например, SiC-МОП-транзистор от Infineon напряжением 1200 В выдерживает короткое замыкание всего 2 мкс при высоком напряжении. Его пиковый ток может в 10 раз превысить номинальный, прежде чем сработает тепловая защита. GFM-инверторы имеют жесткие ограничения по току повреждения и длительности импульса.
Способы ограничения тока и защиты от перегрузки по току
Защита полупроводника от перегрузки по току осуществляется с помощью контуров управления, ограничивающих ток, и отключения управляющего элемента. На практике, при возникновении неисправности или перегрузки, система управления инвертором использует ограничитель, который либо снижает выходное напряжение, либо ограничивает ток.
Но в GFM-инверторе это влияет на функцию поддержки сети. Если инвертор внезапно отключит или ограничит подачу тока, напряжение в микросети может снизиться, что не позволит нижестоящим защитным реле обнаружить неисправности или вызовет замыкание контура управления и сбой синхронизации после сбоя.
Даже если подача более высокого тока короткого замыкания поддерживает стабильность сети и согласованность защиты, это увеличивает потери на проводимость и коммутацию в полупроводниковом устройстве. Если инвертор работает с большим током, это может привести к выходу устройства из строя или тепловому пробою.
GFM-инверторы работают в динамических условиях, которые изменяют распределение потерь. При асимметричных сбоях инвертор должен подавать токи отрицательной последовательности для поддержания сетевого напряжения, поскольку это концентрирует потери проводимости в определенных фазах и переключателях.
Реализация стратегий управления GFM-инверторами, таких как прогнозирующее управление по модели с конечным набором параметров (FS-MPC) или управление в скользящем режиме с высокой пропускной способностью, может изменить частоту переключения силового модуля. Высокая скорость переключения силовых устройств становится решающей для уменьшения размера выходного фильтра и достижения необходимой полосы пропускания управления.
Технологические возможности устройств питания
Выбор правильного устройства питания является важным решением, которое объясняет соотношение между стоимостью, эффективностью, плотностью мощности, шириной полосы управления и надежностью GFM-инверторов.
Кремниевые БТИЗ и МОП-транзисторы
Кремниевые БТИЗ являются основным выбором полупроводников для мощных GFM-систем коммунального масштаба. Это могут быть многомегаваттные аккумуляторные системы накопления энергии и солнечные инверторы. Низкая стоимость на ампер делает их очень привлекательными.
Мощные БТИЗ-модули обладают устойчивостью к короткому замыканию, что позволяет им выдерживать серьезные замыкания (типы I, II, III) в течение до 10 мкс при полном напряжении на линии постоянного тока и обеспечивает достаточное время для срабатывания драйвера затвора и встроенных контуров защиты.
Однако инжекция неосновных носителей заряда в БТИЗ может привести к потерям при переключении и остаточным токам во время отключения. В мощных устройствах БТИЗ ограничивают частоту переключения до 1-5 кГц. Эта низкая частота ограничивает полосу пропускания контура управления и требует больших и дорогих выходных LCL-фильтров.
Кремниевые МОП-транзисторы предназначены для маломощных вспомогательных каскадов преобразования, внутренних низковольтных источников питания или низковольтных каскадов постоянного тока в архитектуре. Их высокое сопротивление во включенном состоянии (RDS(on)) при высоком номинальном напряжении (например, более 650 В) делает их непригодными для использования в GFM-системах с первичным подключением к сети переменного тока.
SiC-МОП-транзисторы и GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов
У SiC-МОП-транзисторов критическое электрическое поле пробоя примерно в десятки раз выше, чем у кремниевых, что позволяет создавать тонкие области дрейфа и низкий показатель RDS(on). Это однополярные устройства с нулевым остаточным током и близким к нулю зарядом обратного восстановления (Qrr) при частотах переключения 15-50 кГц с минимальными потерями мощности.
Высокая частота позволяет значительно снизить мощность выходного фильтра, расширить полосу пропускания и динамический отклик при переходных процессах в сети. Высокая теплопроводность также обеспечивает стабильную работу при температуре соединения более 175°C.
При нормальной работе GFM-инвертор на основе SiC будет иметь меньшие потери на проводимость и коммутацию, чем аналогичная конструкция на основе Si. Это обеспечивает больший запас по теплу и КПД для поддержания пиковой мощности (при кратковременных перегрузках) или снижения требований к охлаждению.
В действительности, SiC-инвертор с частотой 10-20 кГц может иметь те же текущие суммарные гармонические искажения, что и Si-система с частотой 5-10 кГц и меньшим LCL-фильтром.
Однако SiC-МОП-транзисторы имеют меньшее время защиты от короткого замыкания, составляющее примерно 1-3 мкс, из-за высокой плотности тока и тонких оксидных слоев затвора. Для этого требуется быстрое аппаратное обнаружение снижения насыщенности и схемы защиты от плавного отключения. Кроме того, высокая скорость перехода dv/dt создает проблемы с электромагнитной совместимостью.
GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов предназначены только для применения при низком напряжении (менее 650 В) и более низких классах мощности. Несмотря на то, что нитрид галлия обладает еще более высокой скоростью переключения и меньшими потерями, чем карбид кремния, он пока не подходит для мощных каскадов переменного тока GFM-инверторов. Он используется для вспомогательных силовых преобразователей, источников питания с изолированным затвором и низковольтных многоуровневых преобразователей.
Это показывает, что не существует единой технологии электропитания, которая идеально подходила бы для GFM-инверторов. БТИЗ и Si-устройства доминируют в устаревших конструкциях из-за экономичности и надежности, но SiC растет в инверторах бытового назначения, где важна эффективность.
GaN выделяется низкими напряжениями и быстрым переключением, но пока не является оптимальным выбором для крупных GFM-инверторов. Необходимо выбирать между номинальным напряжением, частотой переключения, проводимостью и потерями при переключении, тепловыми характеристиками и устойчивостью к короткому замыканию.
Правильный выбор будет зависеть от размера инвертора, эффективности, возможностей охлаждения и требований к отказоустойчивости в конкретной области применения.
