Qual é a voltagem máxima que o silício pode suportar?

Hoje, em uma corrida pela eficiência, passamos de transformadores para comutadores de fontes de alimentação. Quase todas as PSUs foram projetadas para operação monofásica de baixa tensão (220Vac / 310Vdc no meu país). Eu nunca vi PSUs ATX de 3 fases e 380V trifásicos para PCs, apesar de sua eficiência e baixo ruído de ondulação. Eles seriam muito úteis para pilhas de GPUs. Eu acho que é principalmente porque capacitores eletrolíticos não conseguem sobreviver a 660Vcc retificados.

E poderia ser ainda melhor retificar uma linha de média tensão de 10kV, como geralmente se trata do transformador da vila. Mas qual é o limite de tensão dos dispositivos de silício (MOSFETs) que podem sobreviver sem quebrar?

Você pode obter tiristores com classificação de 8 kV (a vários milhares de ampères) para uso em conversores HVDC. O portão é acoplado opticamente pelas razões óbvias e também porque, quando usado em conjunto nos links HVDC, as diferenças de velocidade de acionamento do portão entre os tiristores conectados em série são importantes e o óptico é um pouco mais claro em termos de velocidade: -

Empilhe alguns em uma bandeja com os vários extras necessários para controlá-los com segurança (amortecedores, etc.) e você terá um destes: -

Então você constrói um monumento aos deuses de Megavolt, empilhando as bandejas da seguinte maneira: -

Observe o rapaz no fundo.

Quanto à energia, li que são necessários 40 gramas de silício para controlar 20 MW de energia e muitas dessas instalações são literalmente mil MW ou mais.

E poderia ser ainda melhor retificar a linha de média tensão de 10kV, como geralmente ocorre no transformador da vila.

Ah, mas você não obtém um isolamento seguro e confiável - um colapso e 10 kV na fiação da sua casa não é bom. Além disso, o ponto de equilíbrio em um link HVDC versus um link AC comum é de muitos, muitos quilômetros.

Onde estão as PSUs trifásicas de 380v a 12V?

Bem, há um problema técnico inerente ao circuito usado por muitos anos no circuito retificador trifásico "padrão": -

O problema é como eles alternam e a correção do fator de potência. Nos bons velhos tempos, ninguém se importava, mas hoje em dia a PF e a limpeza do suprimento são fundamentais em muitos países. E esse é o problema do retificador trifásico padrão - ele não pode ser corrigido por PF, porque os diodos não podem conduzir de 0 a 0 volts (durante meio ciclo) por causa do efeito de bloqueio das outras fases e de seus diodos. A corrente pulsante retirada da alimentação trifásica é muito ruim.

A solução é usar suprimentos trifásicos (corrigidos por PF), todos contribuindo com energia para um barramento CC comum. Portanto, a moderna fonte de comutação trifásica é de fato três fontes monofásicas.

Como os tiristores HVDC fazem isso, você pode perguntar? Eles usam filtros do tamanho de pequenas casas para saciar os harmônicos gerados.

Observe o tamanho relativo dos filtros harmônicos em comparação com o "local das válvulas", onde estão todas as "válvulas" do tiristor. Todos os tipos de filtros de ajuste duplo e único são usados ​​apenas para remover esses harmônicos e, se a mesma técnica for usada em fontes de comutação trifásicas padrão mais comuns (aquelas que nunca atenderão à legislação moderna), então adivinhem; o custo da filtragem é mais do que o custo adicional de suprimentos individuais com a correção de PF incorporada.

Você poderia fornecer um link para o nome do modelo ou pelo menos nomear a série do produto?

Discos de tiristor Infineon classificados em até 8 kV e 4800 amperes .

Mas o que as chaves de silício com limite de tensão (mosfets) podem sobreviver sem romper?

Não há praticamente nenhum limite; se sua tensão exceder a tensão de ruptura de um componente, coloque duas em série.

Existem retificadores baseados em semicondutores de silício para transferência de energia CC de alta tensão. Estes trabalham em torno de 800 kV ou superior.

Ainda assim, seria estupidamente caro tentar usar vários kV como entrada para uma fonte de alimentação que, no final, gera tensão três ordens de magnitude menores. Além disso, é incrivelmente perigoso lidar com vários kV em instalações domésticas, até o impossível (o isolamento pode ficar mais espesso do que as aberturas dos cabos).

Na verdade, eles estão construindo transformadores de estado sólido com maior eficiência e controle, que funcionam a 7,2kV

O interruptor da eletrônica de potência, o transistor bipolar de porta isolada (IGBT) à base de silicone é o mais adequado. Esses dispositivos foram usados ​​para criar SSTs para aplicações ferroviárias na Europa. E eles são certamente mais rápidos. Mas os dispositivos comerciais mais rigorosos podem suportar tensões de até apenas 6,5 quilovolts. Embora essa tensão de ruptura seja perfeitamente adequada para diversas aplicações de energia, não é suficiente lidar com a eletricidade que flui através dos transformadores de distribuição; nos Estados Unidos, uma voltagem típica na extremidade baixa do espectro é de 7,2 kV.

Eles estão usando carboneto de silício, que possui uma folga de banda maior e é mais tolerante a problemas de aquecimento também:

Felizmente, o silício não é a única opção. Nos últimos 10 anos, grandes avanços foram feitos no desenvolvimento de comutadores baseados em semicondutores compostos - em particular o carboneto de silício. O carboneto de silício possui uma variedade de propriedades atraentes que resultam de seu grande intervalo de banda - o obstáculo de energia que deve ser superado para mudar do isolador para o condutor. O intervalo de banda do carboneto de silício é 3,26 elétron-volts para 1,1 eV do silício, o que significa que o material pode ser exposto a campos e temperaturas elétricos significativamente mais altos do que o silício sem quebrar. E como esse semicondutor composto pode suportar tensões muito mais altas, os transistores de potência construídos a partir dele podem ser mais compactos, o que, por sua vez, lhes permite alternar muito mais rapidamente do que seus equivalentes à base de silicone.

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

Os híbridos IGBT da Mitsubishi com saídas BJT de entrada FET agora podem alternar Megawatts e 15kV de alta tensão e também são usados ​​em inversores de energia inteligentes e GTIs de 600V em matrizes para redundância a GTI menores, como as unidades 2000S 50kW da Huawei.

Abaixo está um IGBT híbrido da Mitsubishi, que possui muitas patentes para energia de comutação excepcionalmente alta e ESL e ESR de driver interno extremamente baixos. (indutância e resistência) Eu acredito que eles estão trabalhando na oitava geração agora.

A TI também possui ótimas informações de design em seus IGBTs.