¿Cuál es el voltaje máximo que el silicio puede manejar?

Hoy, en una carrera por la eficiencia, hemos pasado de los transformadores a las fuentes de alimentación conmutadas. Casi todas las unidades de suministro de energía se diseñaron para operación monofásica de bajo voltaje (220Vac / 310Vdc en mi país). Nunca he visto fuentes de alimentación ATX trifásicas de 380 V y más de 3 kW para PC a pesar de su eficiencia y menor ruido de ondulación. Serían muy útiles para pilas de GPU. Creo que se debe principalmente a que los condensadores electrolíticos no pueden sobrevivir a 660 V CC rectificados.

Y podría ser aún mejor rectificar una línea de media tensión de 10kV, ya que generalmente se trata del transformador de la aldea. Pero, ¿cuál es el límite de voltaje que los dispositivos de silicio (MOSFET) pueden sobrevivir sin romperse?

Puede obtener tiristores de 8 kV (a varios miles de amperios) para usar en convertidores HVDC. La puerta está acoplada ópticamente por las razones obvias y también porque, cuando se usa en conjunto en enlaces HVDC, las diferencias de velocidad de conducción de la puerta entre tiristores conectados en serie son importantes y la óptica es un poco más clara en cuanto a velocidad: -

Apile algunos en una bandeja con los diversos extras que necesita para controlarlos de forma segura (amortiguadores, etc.) y obtendrá uno de estos:

Luego construyes un monumento a los dioses de Megavolt apilando las bandejas de esta manera:

Observe al pequeño chico en la parte inferior.

En cuanto a la potencia, he leído que se necesitan 40 gramos de silicio para controlar 20 MW de potencia y muchas de estas instalaciones son, literalmente, mil MW o más.

Y podría ser aún mejor rectificar la línea de media tensión de 10kV, ya que generalmente se trata de transformadores de aldea.

Ah, pero no obtienes un aislamiento seguro que sea confiable: una falla y 10 kV en el cableado de tu casa no es bueno. Además, el punto de equilibrio en un enlace HVDC frente a un enlace AC normal es de muchas, muchas millas.

¿Dónde están las fuentes de alimentación trifásicas de 380v a 12V?

Bueno, hay un inconveniente técnico que es inherente al circuito utilizado durante muchos años en el circuito rectificador trifásico "estándar":

El problema es cómo cambian y la corrección del factor de potencia. En los viejos tiempos, a nadie le importaba, pero en estos días la PF y la limpieza del suministro son primordiales en muchos países. Y este es el problema con el rectificador trifásico estándar: no se puede corregir PF porque los diodos no pueden conducir de 0 voltios a 0 voltios (durante medio ciclo) debido al efecto de bloqueo de las otras fases y sus diodos. La corriente pulsante tomada del suministro trifásico es realmente mala.

La solución es utilizar tres fuentes monofásicas (y con PF corregido) que suministren toda la energía que contribuye a un bus de CC común. Por lo tanto, el suministro de conmutación trifásico moderno es, de hecho, tres suministros monofásicos.

¿Cómo lo hacen los tiristores HVDC? Usan filtros tan grandes como casas pequeñas para apagar los armónicos generados.

Observe el tamaño relativo de los filtros de armónicos en comparación con la "sala de válvulas" donde están todas las "válvulas" de tiristores. Todos los tipos de filtros de sintonización doble y simple se usan solo para eliminar esos armónicos y, si la misma técnica se usara en suministros de conmutación trifásicos estándar más comunes (los que nunca cumplirán con la legislación moderna), adivine qué; El costo del filtrado es mayor que el costo adicional de los suministros individuales con corrección PF incorporada.

¿Podría proporcionar un enlace al nombre del modelo, o al menos nombrar la serie del producto?

Discos de tiristores Infineon con capacidad de hasta 8 kV y 4800 amperios .

Pero, ¿cuál es el límite de voltaje que las llaves de silicio (mosfets) pueden sobrevivir sin romperse?

Prácticamente no hay límite; si su voltaje excede el voltaje de ruptura de un componente, bueno, ponga dos en serie.

Hay rectificadores basados ​​en semiconductores de silicio para la transferencia de energía de CC de alto voltaje. Estos funcionan alrededor de 800 kV o más.

Aún así, sería estúpidamente costoso tratar de usar múltiples kV como entrada a una fuente de alimentación que al final genera un voltaje tres órdenes de magnitud más pequeño. Además, es increíblemente peligroso manejar múltiples kV dentro de las instalaciones domésticas, hasta imposible (el aislamiento puede volverse más grueso que las aberturas de cable).

En realidad, están construyendo transformadores de estado sólido con mayor eficiencia y control, estos funcionan a 7.2kV

El interruptor de caballo de batalla de la electrónica de potencia, el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) a base de silicio, se adapta mejor. Estos dispositivos se han utilizado para construir SST para aplicaciones ferroviarias en Europa. Y ciertamente son más rápidos. Pero los dispositivos comerciales más rigurosos pueden soportar voltajes de hasta aproximadamente 6.5 kilovoltios. Si bien este voltaje de ruptura está perfectamente bien para una gama de aplicaciones de energía, no es suficiente para manejar la electricidad que fluye a través de los transformadores de distribución; En los Estados Unidos, un voltaje típico en el extremo inferior del espectro es de 7.2 kV.

Están utilizando carburo de silicio que tiene una banda prohibida más grande y también es más tolerante a los problemas de calentamiento:

Afortunadamente, el silicio no es la única opción. En los últimos 10 años, se han logrado grandes avances en el desarrollo de interruptores basados ​​en semiconductores compuestos, en particular el carburo de silicio. El carburo de silicio tiene una gama de propiedades atractivas que se derivan de su gran banda prohibida, el obstáculo de energía que debe superarse para cambiar de aislante a conductor. El intervalo de banda del carburo de silicio es de 3,26 voltios de electrones a 1,1 eV de silicio, lo que significa que el material puede estar expuesto a campos eléctricos y temperaturas significativamente más altas que el silicio sin descomponerse. Y debido a que este semiconductor compuesto puede soportar voltajes mucho más altos, los transistores de potencia construidos a partir de él pueden hacerse más compactos, lo que a su vez les permite cambiar mucho más rápido que sus contrapartes basadas en silicio.

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

Los híbridos IGBT de Mitsubishi con salidas BJT de entrada FET ahora pueden cambiar megavatios y muy alto voltaje de 15kV y también se utilizan en inversores de potencia inteligentes y 600V GTI en matrices para redundancia a GTI más pequeños, como las unidades 2000S 50kW de Huawei.

A continuación se muestra un IGBT híbrido de Mitsubishi que tiene muchas patentes para una energía de conmutación excepcionalmente alta y un controlador interno extremadamente bajo ESL y ESR. (inductancia y resistencia) Creo que ahora están trabajando en su octava generación.

TI también tiene excelente información de diseño en sus IGBT