Was ist die maximale Spannung, die Silizium verarbeiten kann?

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In einem Wettlauf um Effizienz sind wir heute von Transformatoren zu Schaltnetzteilen übergegangen. Fast alle Netzteile wurden für den einphasigen Niederspannungsbetrieb (220 VAC / 310 VDC in meinem Land) entwickelt. Ich habe noch nie 380V 3-Phasen 3+ kW ATX-Netzteile für PCs gesehen, trotz ihrer Effizienz und ihres geringeren Welligkeitsrauschens. Sie wären sehr nützlich für Stapel von GPUs. Ich denke, das liegt hauptsächlich daran, dass Elektrolytkondensatoren gleichgerichtete 660 VDC nicht überleben können.

Und es könnte noch besser sein, eine 10-kV-Mittelspannungsleitung gleichzustellen, wie es normalerweise beim Dorftransformator der Fall ist. Aber wie hoch ist die Spannungsgrenze, die Siliziumbauelemente (MOSFETs) überleben können, ohne zusammenzubrechen?

psmears
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Glauben Sie, dass es einen großen Markt für 380-V-, 3-Phasen- und 3-kW-ATX-Netzteile gibt? Ist es möglich, dass niemand diese Vorräte baut, weil es nicht genügend Käufer gibt, und nicht wegen grundlegender technischer Einschränkungen?
Elliot Alderson
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Ich würde annehmen, dass nicht viele Menschen dreiphasige Steckdosen in ihrem Haus haben. Diejenigen, die dies tun, können auch spezielle Geräte kaufen, die möglicherweise nicht in einem ATX-Formfaktor vorliegen.
Ilkkachu
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@ xakepp35 Das Erfordernis eines Hochstromausgangs auf einer bestimmten Schiene bedeutet nicht, dass Sie ein dreiphasiges Netzteil benötigen. Sie können problemlos einphasige Netzteile mit 1200 W und sogar 1500 W erhalten, die in der Standard-Laderaumhülle von 80 bis 90% einen Wirkungsgrad von mehr als 95% aufweisen. Dies ist mehr als ausreichend für Geräte, die tatsächlich ein Netzteil mit ATX-Formfaktor verwenden.
Austin Hemmelgarn
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Eine dreiphasige Versorgung für Geräte mit einer Leistung von nur 3 kW scheint völlig sinnlos. Die Standard-Steckdosen in britischen Häusern können bereits jeweils 3 kW (240 V, 13 A, einphasig) liefern, und es gibt 6 dieser Steckdosen in dem Raum, in dem ich diesen Kommentar schreibe! Ich gehe davon aus, dass die inländischen Standard-Elektrovorschriften anderer Länder ähnlich sind.
Alephzero
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In Großbritannien haben wir unsere Steckdosen normalerweise in 32-A-240-V-Stromkreisen, sodass wir uns selten Sorgen machen müssen, dass zu viel in einen Stromkreis gesteckt wird. Andere Länder haben tendenziell Steckdosenstromkreise mit niedrigerer Nennleistung.
Peter Green

Antworten:

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Sie können Thyristoren mit einer Nennleistung von 8 kV (bei mehreren tausend Ampere) für die Verwendung in HGÜ-Wandlern erhalten. Das Gate ist aus den offensichtlichen Gründen optisch gekoppelt und auch deshalb, weil bei gleichzeitiger Verwendung auf HGÜ-Verbindungen die Unterschiede in der Gate-Ansteuergeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten Thyristoren wichtig sind und die optische Geschwindigkeit etwas deutlicher ist:

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Stapeln Sie einige in einem Tablett mit den verschiedenen Extras, die Sie benötigen, um sie sicher zu steuern (Dämpfer usw.), und Sie erhalten eines davon: -

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Dann bauen Sie ein Denkmal für die Götter von Megavolt, indem Sie die Tabletts wie folgt stapeln:

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Beachten Sie den kleinen Kerl unten.

In Bezug auf die Leistung habe ich gelesen, dass 40 Gramm Silizium benötigt werden, um 20 MW Leistung zu steuern, und viele dieser Anlagen haben buchstäblich eine Leistung von tausend MW oder mehr.

Und es könnte noch besser sein, eine 10-kV-Mittelspannungsleitung zu korrigieren, wie es normalerweise bei Dorftransformatoren der Fall ist.

Ah, aber Sie erhalten keine sichere Isolierung, die zuverlässig ist - ein Ausfall und 10 kV in Ihrer Hausverkabelung sind nicht gut. Außerdem beträgt der Break-Even-Punkt einer HGÜ-Verbindung gegenüber einer normalen Wechselstromverbindung viele, viele Meilen.

Wo sind 3-Phasen-Netzteile mit 380 V bis 12 V?

Nun, es gibt einen technischen Haken, der der Schaltung innewohnt, die seit vielen Jahren in der "Standard" 3-Phasen-Gleichrichterschaltung verwendet wird:

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Das Problem ist, wie sie schalten und Leistungsfaktorkorrektur. In den guten alten Zeiten kümmerte sich niemand darum, aber heutzutage sind PF und Sauberkeit der Versorgung in vielen Ländern von größter Bedeutung. Und dies ist das Problem mit dem Standard-3-Phasen-Gleichrichter - er kann nicht PF-korrigiert werden, da Dioden aufgrund der Blockierungswirkung der anderen Phasen und ihrer Dioden nicht von 0 Volt bis 0 Volt (während eines halben Zyklus) leiten können. Der aus der 3-Phasen-Versorgung entnommene Pulsstrom ist sehr schlecht.

Die Lösung besteht darin, drei einphasige (und PF-korrigierte) Versorgungen zu verwenden, die die gesamte Stromversorgung zu einem gemeinsamen DC-Bus beitragen. Die moderne 3-Phasen-Schaltversorgung besteht also tatsächlich aus drei einphasigen Versorgungen.

Wie machen es die HGÜ-Thyristoren? Sie verwenden Filter, die so groß wie kleine Häuser sind, um die erzeugten Harmonischen zu löschen.

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Beachten Sie die relative Größe der Oberschwingungsfilter im Vergleich zur "Ventilhalle", in der sich alle Thyristor- "Ventile" befinden. Alle Arten von doppelt und einfach abgestimmten Filtern werden nur verwendet, um diese Harmonischen zu entfernen. Wenn dieselbe Technik bei gewöhnlicheren Standard-3-Phasen-Schaltversorgungen verwendet würde (diejenigen, die niemals der modernen Gesetzgebung entsprechen), raten Sie mal, was; Die Kosten für die Filterung sind höher als die zusätzlichen Kosten für einzelne Lieferungen mit integrierter PF-Korrektur.

Könnten Sie einen Link zum Modellnamen oder zumindest die Produktreihe angeben?

Infineon-Thyristorscheiben mit einer Nennleistung von bis zu 8 kV und 4800 Ampere .

Andy aka
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Ich wusste nicht, was Sie unter optisch gekoppelt verstehen (oder welche offensichtlichen Gründe zutreffen), also habe ich auf Wikipedia gelesen, was die Situation gut genug erklärte. Ich stelle jedoch fest, dass der Wikipedia-Artikel, obwohl er die Verwendung und die Vorteile der optischen Kopplung erwähnt, darauf hinweist, dass dies immer noch nicht üblich ist und die elektrische Kopplung immer noch die Norm ist. Wäre dieser Artikel dann veraltet? Oder sind es die 8-kV-Versionen, die die optische Kopplung erhalten?
KRyan
@KRyan sicher, optisch gekoppelte LEDs sind die Reserve der Hochspannungstypen, die ich in meiner Antwort erwähnt habe.
Andy aka
Ah, ich habe unklar gesprochen: Wikipedia sprach von „HGÜ“ - sind 8 kV selbst in dieser Kategorie besonders hoch?
KRyan
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Ich kann für einen von ihnen antworten. In den 80er Jahren haben wir aufgehört, optisch gekoppelte Thyristoren zu verwenden.
Winny
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@Barleyman Nein, das wird nicht funktionieren - denken Sie darüber nach oder zeichnen Sie es, um die Probleme zu sehen. Zumindest wird die aktivste Phase (diejenige, die am positivsten ihren Höhepunkt erreicht) die Brücken der beiden anderen Phasen in Sperrrichtung vorspannen, was bedeutet, dass für einen signifikanten Zeitraum des Zyklus kein Strom von ihnen fließen kann, und dies bedeutet, dass die PF-Korrektur dies nicht kann Arbeit.
Andy aka
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Aber was ist Spannungsbegrenzung Siliziumschlüssel (Mosfets) können überleben, ohne durchzubrechen?

Es gibt praktisch keine Grenzen; Wenn Ihre Spannung die Durchbruchspannung einer Komponente überschreitet, schalten Sie zwei in Reihe.

Es gibt Gleichrichter auf Siliziumhalbleiterbasis für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung. Diese arbeiten bei 800 kV oder höher.

Trotzdem wäre es dumm teuer zu versuchen, mehrere kV als Eingang für ein Netzteil zu verwenden, das am Ende eine um drei Größenordnungen kleinere Spannung erzeugt. Außerdem ist es unglaublich gefährlich, mehrere kV in Heiminstallationen zu handhaben, was einfach unmöglich ist (die Isolierung kann leicht dicker werden als Kabelöffnungen).

Marcus Müller
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Hmm, ich war hauptsächlich an CPU \ GPU-Verbrauchsmaterialien interessiert, es scheint, dass sie irgendwo um 1 Volt und unendlich viele Ampere benötigen (mehr hast du = mehr Chips, die du stärken kannst). Gibt es also ein Gerät, das 10kV 1amp in 1V 10kAmp umwandeln könnte?
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Was würden Sie zwischen 10-kV-Eingang und Ihren 10000-GPUs setzen? Ein Transformator 10k-> 380? Oder gibt es ein leistungsstarkes 10-Kilovolt-Netzteil?
Die 10 kV würden wahrscheinlich zwei- oder mehrmals herabgesetzt, um etwa 400 V zu erreichen, die dann in Gleichstrom umgewandelt werden könnten, und Schaltnetzteile würden sie bei Bedarf weiter abbauen.
CrossRoads
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Das 1-V-10-kA-Netzteil ähnelt eher einem großen Punktschweißgerät als allem, was in einem Computer sinnvoll ist. Angesichts der Widerstandsverluste erscheint es sinnvoll, die Leistung auf 240 V zu verteilen und so nahe wie möglich am Einsatzort herunterzuwandeln.
pjc50
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@ xakepp35 Die größten PC-Verbrauchsmaterialien, die ich von einem seriösen Hersteller gesehen habe, sind 2 kW (ex FSP ). Ich habe geringfügig höhere No-Name-Einheiten aus China gesehen, möchte aber nicht in einem Gebäude sein, in dem man mit Energie versorgt wird. Wahrscheinlich werden> 90% ihrer Leistung letztendlich um 1 V geliefert, jedoch aus offensichtlichen Gründen innerhalb weniger PCB-Zoll von den verbrauchenden Chips. Es würde mich nicht wundern, wenn einige große Blade-Gehäuse / Rack-PDUs 10 kW erreichen könnten, obwohl ich denke, dass sie normalerweise eine höhere Zwischengleichspannung als die 12 V von ATX verwenden.
Dan spielt am Feuer
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Sie bauen tatsächlich Festkörpertransformatoren mit höherer Effizienz und Kontrolle, die mit 7,2 kV betrieben werden

Der Arbeitspferdeschalter der Leistungselektronik, der Silizium-basierte Bipolartransistor (IGBT) mit isoliertem Gate, passt besser. Diese Geräte wurden verwendet, um SSTs für Bahnanwendungen in Europa zu bauen. Und sie sind sicherlich schneller. Die strengsten kommerziellen Geräte können jedoch Spannungen von nur etwa 6,5 ​​Kilovolt standhalten. Während diese Durchbruchspannung für eine Reihe von Stromversorgungsanwendungen vollkommen in Ordnung ist, reicht es nicht aus, den Strom zu verarbeiten, der durch Verteiltransformatoren fließt. In den Vereinigten Staaten beträgt eine typische Spannung am unteren Ende des Spektrums 7,2 kV.

Sie verwenden Siliziumkarbid, das eine größere Bandlücke aufweist und auch gegenüber Heizproblemen toleranter ist:

Glücklicherweise ist Silizium nicht die einzige Option. In den letzten 10 Jahren wurden große Fortschritte bei der Entwicklung von Schaltern auf der Basis von Verbindungshalbleitern erzielt, insbesondere von Siliziumkarbid. Siliziumkarbid hat eine Reihe attraktiver Eigenschaften, die sich aus seiner großen Bandlücke ergeben - der Energiehürde, die überwunden werden muss, um vom Isolator zum Leiter zu wechseln. Die Bandlücke von Siliziumkarbid beträgt 3,26 Elektronenvolt zu 1,1 eV von Silizium, was bedeutet, dass das Material deutlich höheren elektrischen Feldern und Temperaturen ausgesetzt werden kann als Silizium, ohne zusammenzubrechen. Und weil dieser Verbundhalbleiter viel höheren Spannungen standhalten kann, können daraus gebaute Leistungstransistoren kompakter gemacht werden, wodurch sie viel schneller schalten können als ihre Gegenstücke auf Siliziumbasis.

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

Spannungsspitze
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Ich finde das schwer zu glauben (7 kV). Sind sie nicht gestapelte Geräte mit einer Nennspannung von 1200 V?
Peter Mortensen
AFAIK Europäische Hochgeschwindigkeitszüge fahren mit 25 kV.
MSalters
25 kV ist die Versorgungsspannung; es wird in den Zügen auf ca. 1500V umgewandelt.
Michael Harvey
@PeterMortensen Ich glaube, der Quellartikel versucht, diesen Punkt anzusprechen (zwischen den beiden hier zitierten Absätzen). Ich bin nicht qualifiziert, seine Gültigkeit zu beurteilen.
Dan spielt am Feuer
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Mitsubishi IGBT-Hybride mit FET-Eingang BJT-Ausgänge können jetzt Megawatt und 15 kV mit sehr hoher Spannung schalten und werden auch in intelligenten Wechselrichtern und 600 V- GTIs in Arrays zur Redundanz gegenüber kleineren GTIs wie den 2000S 50 kW-Einheiten von Huawei verwendet.

Unten sehen Sie einen Mitsubishi-Hybrid-IGBT, der viele Patente für außergewöhnlich hohe Schaltenergie und extrem niedrige interne Treiber-ESL und ESR besitzt. (Induktivität und Widerstand) Ich glaube, sie arbeiten jetzt an ihrer 8. Generation. Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

TI hat auch großartige Designinformationen zu ihren IGBTs

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Vielen Dank! Könnten Sie einen Link zum Modellnamen oder zumindest die Produktreihe angeben?
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Glaubst
(-1 für den snarky "just google it" -Kommentar zur Verteidigung einer wirklich
mühelosen
@ dn3s Ich habe normalerweise mehr Mühe als die Frage, es ist nicht snarky, es trainiert Lernende, wie man weniger abhängig ist google.com/…
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Das ist nicht die Art von Training, die diese Website bieten soll. Das Ziel von stackexchange ist es, eine Referenz zu sein, kein Forum. Wie auch immer, ich bin froh zu sehen, dass Sie Ihre Antwort verbessert haben. Ich habe meine -1 entfernt (obwohl es immer noch eher wie eine Werbung für ein bestimmtes Produkt erscheint, während andere Antworten die Frage selbst direkter ansprechen)
user371366