Si MOSFET – katalyzátor podporujúci rýchly vývoj APF

Aktívne výkonové filtre (APF), ako aktívne výkonové elektronické zariadenia na zmiernenie problémov s kvalitou napájania, ako sú harmonické, jalový výkon a nerovnováha výkonu v distribučných sieťach, majú históriu vývoja takmer pol storočia. Avšak kvôli obmedzeniam, ako je relatívne nízka efektívna kapacita filtrovania harmonického rádu, náchylnosť na rezonanciu s napájacou sieťou vedúca k nestabilite systému a vysoké straty, APF neboli široko prijaté. V praxi zostávajú tradičné pasívne filtre hlavným riešením na zmiernenie harmonického a jalového výkonu v distribučných sieťach.

Na zmiernenie prúdových harmonických v distribučnej sieti musí APF (Automatic Power Filter) udržiavať širokopásmový výstup s riadiacou šírkou pásma aspoň 1 kHz (väčšou ako 2,5 kHz, ak je požadovaný harmonický rozsah, ktorý sa má filtrovať až do 51. rádu). Na udržanie stability systému je však rezonančná frekvencia výstupného LCL filtra APF typicky niekoľkonásobkom šírky riadiaceho pásma. To znamená, že pre silnú robustnosť systému musí byť rezonančná frekvencia výstupného LCL filtra APF vo všeobecnosti vyššia ako 20 kHz. Na druhej strane, na filtrovanie spínacieho zvlnenia tradičných APF pomocou IGBT ako výkonových spínačov musí byť spínacia frekvencia aspoň štvornásobkom rezonančnej frekvencie výstupného LCL filtra. V skutočnosti tradičné IGBT typicky fungujú pod 30 kHz. Preto APF používajúce IGBT ako výkonové spínače vyžadujú na dosiahnutie silnej odolnosti systému šírku riadiaceho pásma niekoľko stoviek Hz, ale šírka riadiaceho pásma niekoľko stoviek Hz je takmer nedostatočná na kompenzáciu vyšších{10} harmonických. To takmer znemožňuje APF dosiahnuť primeranú rovnováhu medzi stabilitou a kompenzačnou schopnosťou, čo výrazne obmedzuje ich široké použitie.

SiC MOSFET ako polovodičové spínacie zariadenia tretej{0}}generácie zaznamenali v posledných rokoch rýchly vývoj a v súčasnosti sa široko používajú v rôznych výkonových elektronických produktoch. SiC MOSFET si zachovávajú vysokú spínaciu frekvenciu aj vo vysoko{2}}aplikáciách s vysokým výkonom, čo je charakteristika takmer šitá na mieru-pre APF (Automatic Power Switches). V stredno{5}}až{6}}vysokom výkone (20~200A) APF môžu SiC MOSFET stále pracovať pri spínacej frekvencii približne 50 kHz. Kombináciou technológie dvojkanálového prekladania a technológie magnetickej integrácie možno aktuálnu frekvenciu zvlnenia vo výstupnom LCL filtri APF zvýšiť na viac ako 100 kHz. To umožňuje navrhnúť rezonančnú frekvenciu výstupného LCL filtra na približne 20 kHz (útlm -28 dB) a šírku riadiaceho pásma na približne 2,5 kHz. To umožňuje APF plne kompenzovať 51. harmonickú (základná frekvencia 50 Hz). Okrem toho, pretože šírka riadiaceho pásma je ďaleko od rezonančnej frekvencie výstupného LCL filtra, systém vykazuje silnú robustnosť a je menej náchylný na rezonanciu s rozvodnou sieťou, čím sa znižuje nestabilita. Okrem toho straty APF s použitím SiC MOSFET ako hlavného spínacieho zariadenia sú nižšie ako straty pri APF využívajúcich tradičné IGBT ako hlavné spínacie zariadenie.

Záverom možno povedať, že SiC MOSFETy sú prakticky dokonalé ako hlavné spínacie zariadenie pre APF (Active Power Factor Systems). Nepochybne budú viesť k ďalšiemu a širšiemu používaniu APF a iných produktov kvality aktívnej energie, čím prispejú k zelenej distribučnej sieti elektrickej energie.

Spoločnosť Leonhard Electric Company, špičková{0}}technologická spoločnosť, ktorá sa špecializuje na výskum, vývoj a výrobu produktov kvality napájania SiC MOSFET, uviedla na trh celú sériu produktov kvality napájania SiC MOSFET v rozsahu od 20 do 200 A na rôznych úrovniach napätia. Jej kľúčové produkty využívajú technológiu dvojkanálového prekladania a magnetickej integrácie, ktorá umožňuje ekvivalentnú spínaciu frekvenciu presahujúcu 100 kHz, čím dosahuje mimoriadne-vysokú stabilitu, nízku stratu a malú veľkosť.