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

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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?

psmears
fuente
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¿Cree que hay mucho mercado para las fuentes de alimentación ATX trifásicas de 380V y 3kW? ¿Es posible que nadie construya estos suministros porque no hay suficientes compradores, en lugar de por limitaciones técnicas fundamentales?
Elliot Alderson
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Supongo que no muchas personas tienen salidas trifásicas disponibles en su casa. Quienes lo hagan, también pueden comprar equipos especializados que pueden no tener un formato ATX.
ilkkachu
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@ xakepp35 Requerir una salida de corriente alta en un riel particular no significa que necesite una fuente de alimentación trifásica. Puede obtener fácilmente una fuente de alimentación monofásica de 1200W e incluso de 1500W que es mejor que el 95% de eficiencia en la envolvente de carga estándar del 80-90%, que es más que suficiente para dispositivos que realmente usan una fuente de alimentación de factor de forma ATX.
Austin Hemmelgarn
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Un suministro trifásico para dispositivos de baja potencia como 3kW parece completamente inútil. ¡Los enchufes de pared estándar en las casas del Reino Unido ya pueden suministrar 3kW cada uno (240V 13A monofásico) y hay 6 de esos enchufes en la habitación donde estoy escribiendo este comentario! Supongo que los códigos eléctricos domésticos estándar de otros países son similares.
alephzero
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En el Reino Unido, generalmente tenemos nuestros enchufes en los circuitos de 32A 240V, por lo que rara vez tenemos que preocuparnos de poner demasiado en un circuito. Otros países tienden a tener circuitos de enchufe de menor capacidad.
Peter Green

Respuestas:

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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: -

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

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

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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":

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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.

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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 .

Andy alias
fuente
No sabía qué querías decir con acoplamiento óptico (o qué razones obvias se aplicaban), así que leí un poco en Wikipedia, que explicaba la situación lo suficientemente bien. Sin embargo, observo que el artículo de Wikipedia, aunque sí señala el uso y las ventajas del acoplamiento óptico, sugiere que todavía no es común y que el acoplamiento eléctrico es más la norma. ¿Ese artículo estaría desactualizado, entonces? ¿O tal vez las versiones de 8 kV son las que están recibiendo el acoplamiento óptico?
KRyan
@KRyan seguro, los LED acoplados ópticamente son la reserva de los tipos de alto voltaje que mencioné en mi respuesta.
Andy alias
Ah, hablé con claridad: Wikipedia estaba hablando de "HVDC", ¿es 8 kV particularmente alto incluso en esa categoría?
KRyan
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Puedo responder por uno de ellos. Dejamos de usar tiristores acoplados ópticamente en los años 80.
winny
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@Barleyman No, eso no funcionará, piénselo o dibuje para ver los problemas. Por lo menos, la fase más activa (la que tiene su pico más positivo) invertirá el sesgo de los puentes de las otras dos fases, lo que significa que no puede haber corriente durante un período significativo del ciclo y esto significa que la corrección de FP no puede trabajo.
Andy alias
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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).

Marcus Müller
fuente
Hmm, estaba principalmente interesado en los suministros de CPU / GPU, parece que necesitan alrededor de 1 voltio y infinitamente muchos amperios (más tienes = más chips que puedes potenciar). Entonces, ¿existe algún dispositivo que pueda convertir 10kV 1amp a 1v 10kAmp?
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¿Qué pondrías entre la entrada de 10kV y tus 10000 GPU? Un transformador 10k-> 380? ¿O existe alguna fuente de alimentación potente de 10 kilovoltios?
El 10KV se reduciría probablemente 2 o más veces para llegar a 400 V más o menos, que luego podría rectificarse en CC y las fuentes de alimentación de conmutación lo reducirían aún más según sea necesario.
CrossRoads
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La fuente de alimentación de 1v 10kA es más como una gran soldadora por puntos que cualquier cosa sensata dentro de una computadora. Dadas las pérdidas resistivas, parece razonable distribuir la energía a 240 V y realizar una conversión descendente lo más cerca posible del punto de uso.
pjc50
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@ xakepp35 los suministros de PC más grandes que he visto de un fabricante de buena reputación son 2KW (ex FSP ). He visto unidades marginalmente más altas sin nombre de China, pero no quisiera estar en ningún edificio donde uno tenga energía. Probablemente> 90% de su salida se entrega en última instancia alrededor de 1V, pero dentro de unas pocas pulgadas de PCB de los chips consumidores por razones obvias. No me sorprendería si algunos gabinetes de hoja grande / PDU de rack pudieran alcanzar los 10kW, aunque creo que normalmente usan un voltaje de CC intermedio más alto que los 12V de ATX.
Dan Is Fiddling By Firelight
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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

Pico de voltaje
fuente
Me resulta difícil de creer (7 kV). ¿No son dispositivos apilados con cada unión clasificada a 1200 V?
Peter Mortensen
Los trenes de alta velocidad europeos AFAIK corren a 25kV.
MSalters
25 kV es la tensión de alimentación; se transforma en los trenes a unos 1500V.
Michael Harvey
@PeterMortensen Creo que el artículo fuente intenta abordar ese punto (entre los dos párrafos citados aquí). No estoy calificado para juzgar su validez.
Dan Is Fiddling By Firelight
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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. ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

TI también tiene excelente información de diseño en sus IGBT

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
fuente
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¡Gracias! ¿Podría proporcionar un enlace al nombre del modelo, o al menos nombrar la serie del producto?
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¿Crees que puedes investigar tú mismo
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
(-1 para el comentario sarcástico "solo google it" en defensa de una respuesta de muy bajo esfuerzo)
user371366
@ dn3s Por lo general, pongo más esfuerzo que la pregunta, no es sarcástico, está entrenando a los estudiantes sobre cómo ser menos dependientes google.com/…
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
ese no es el tipo de capacitación que este sitio web está diseñado para proporcionar. El objetivo de stackexchange es ser una referencia, no un foro. De todos modos, me alegra ver que ha mejorado su respuesta, he eliminado mi -1 (aunque todavía parece más un anuncio de un producto específico, mientras que otras respuestas abordan más directamente la pregunta en sí)
user371366