Qual è la tensione massima che il silicio può gestire?

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Oggi, in una corsa all'efficienza, siamo passati dai trasformatori agli alimentatori a commutazione. Quasi tutte le PSU sono state progettate per il funzionamento a bassa tensione monofase (220Vac / 310Vdc nel mio paese). Non ho mai visto PSU ATX trifase da 3+ kW da 380 V per PC, nonostante la loro efficienza e il minore rumore di ondulazione. Sarebbero molto utili per le pile di GPU. Penso che sia principalmente perché i condensatori elettrolitici non possono sopravvivere a 660 V CC rettificati.

E potrebbe essere ancora meglio rettificare una linea di media tensione a 10 kV, come di solito si tratta del trasformatore del villaggio. Ma qual è il limite di tensione che i dispositivi al silicio (MOSFET) possono sopravvivere senza rompersi?

— psmears
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Pensi che ci sia molto mercato per gli alimentatori ATX da 380 V, trifase e 3 kW? È possibile che nessuno costruisca queste forniture perché non ci sono abbastanza acquirenti, piuttosto che a causa di limiti tecnici fondamentali?

— Elliot Alderson,

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Suppongo che non molte persone abbiano facilmente punti vendita trifase disponibili nella loro casa. Coloro che lo fanno, possono anche acquistare attrezzature specializzate che potrebbero non avere un fattore di forma ATX.

— ilkkachu,

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@ xakepp35 Richiedere un'uscita di corrente elevata su una determinata guida non significa che sia necessario un alimentatore trifase. È possibile ottenere facilmente alimentatori monofase da 1200 W e persino 1500 W con un'efficienza migliore del 95% nell'inviluppo di carico standard dell'80-90%, che è più che sufficiente per i dispositivi che utilizzano effettivamente un alimentatore con fattore di forma ATX.

— Austin Hemmelgarn,

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Un alimentatore trifase per dispositivi a bassa potenza come 3kW sembra completamente inutile. Le prese a muro standard nelle case del Regno Unito possono già fornire 3kW ciascuna (240 V 13 A monofase) e ci sono 6 di quelle prese nella stanza in cui sto scrivendo questo commento! Presumo che i codici elettrici domestici standard di altri paesi siano simili.

— alephzero,

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Nel Regno Unito in genere abbiamo le nostre prese su circuiti da 32 A 240 V, quindi raramente dobbiamo preoccuparci di mettere troppo su un circuito. Altri paesi tendono ad avere circuiti con prese di livello inferiore.

— Peter Green,

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È possibile ottenere tiristori da 8 kV (a diverse migliaia di ampere) da utilizzare nei convertitori HVDC. Il gate è accoppiato otticamente per ovvi motivi e anche perché, quando utilizzato in tandem sui collegamenti HVDC, le differenze di velocità di pilotaggio del gate tra i tiristori collegati in serie sono importanti e l'ottica è un po 'più chiara in termini di velocità di taglio: -

Impila alcuni insieme in un vassoio con i vari extra necessari per controllarli in sicurezza (snubbers ecc.) E ottieni uno di questi: -

Quindi costruisci un monumento agli dei di Megavolt impilando i vassoi in questo modo: -

Nota il piccoletto in fondo.

Per quanto riguarda la potenza, ho letto che ci vogliono 40 grammi di silicio per controllare 20 MW di potenza e molte di queste installazioni sono letteralmente mille o più MW.

E potrebbe essere ancora meglio rettificare una linea di media tensione a 10 kV, come di solito arriva al trasformatore del villaggio.

Ah, ma non si ottiene un isolamento sicuro ed affidabile: un guasto e 10 kV nel cablaggio di casa non vanno bene. Inoltre, il punto di pareggio su un collegamento HVDC rispetto a un normale collegamento CA è di molte, molte miglia.

Dove sono gli alimentatori trifase da 380v a 12V?

Bene, esiste un problema tecnico inerente al circuito utilizzato per molti anni nel circuito raddrizzatore trifase "standard": -

Il problema è come cambiano e correzione del fattore di potenza. Ai vecchi tempi a nessuno importava, ma in questi giorni la PF e la pulizia dell'offerta sono fondamentali in molti paesi. E questo è il problema con il raddrizzatore trifase standard: non può essere corretto PF perché i diodi non possono condurre da 0 volt a 0 volt (per mezzo ciclo) a causa dell'effetto bloccante delle altre fasi e dei loro diodi. La corrente pulsante proveniente dall'alimentazione trifase è davvero pessima.

La soluzione è utilizzare tre fasi monofase (e correzione PF) che forniscono tutta la potenza che contribuisce a un bus CC comune. Quindi, il moderno alimentatore a commutazione trifase è in realtà tre alimentatori monofase.

Come possono fare i tiristori HVDC? Usano filtri grandi come piccole case per estinguere le armoniche generate.

Notare la dimensione relativa dei filtri armonici rispetto alla "sala valvole" dove si trovano tutte le "valvole" a tiristori. Tutti i tipi di filtri a doppio e singolo sintonizzatore vengono utilizzati solo per rimuovere quelle armoniche e, se la stessa tecnica fosse utilizzata su più normali alimentatori a commutazione trifase standard (quelli che non soddisfano mai la legislazione moderna) indovinate cosa; il costo del filtraggio è superiore al costo aggiuntivo delle singole forniture con correzione PF integrata.

Potresti fornire un link al nome del modello o almeno nominare la serie di prodotti?

Dischi a tiristori Infineon classificati fino a 8 kV e 4800 amp .

— Andy aka
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Non sapevo cosa intendevi per accoppiamento ottico (o quali ovvi motivi si applicavano), quindi ho fatto qualche lettura su Wikipedia, che ha spiegato abbastanza bene la situazione. Tuttavia, noto che l'articolo di Wikipedia, sebbene noti l'uso e i vantaggi dell'accoppiamento ottico, suggerisce che non è ancora comune e che l'accoppiamento elettrico è ancora più la norma. Quell'articolo sarebbe quindi obsoleto? O forse le versioni da 8 kV sono quelle che ottengono l'accoppiamento ottico?

— KRyan,

@KRyan sicuramente, i LED accoppiati otticamente sono la riserva dei tipi nominali di alta tensione che ho citato nella mia risposta.

— Andy alias il

Ah, ho parlato in modo poco chiaro: Wikipedia parlava di "HVDC", 8 kV è particolarmente alto anche in quella categoria?

— KRyan,

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Posso rispondere per uno di loro. Abbiamo smesso di usare tiristori accoppiati otticamente negli anni '80.

— Winny

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@Barleyman No, non funzionerà - pensaci o disegnalo per vedere i problemi. Per lo meno, la fase più attiva (quella che sta raggiungendo il picco in modo più positivo) invertirà la polarizzazione dei ponti delle altre due fasi, il che significa che non può esservi corrente per un periodo significativo del ciclo e ciò significa che la correzione PF non può lavoro.

— Andy aka

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Ma quali sono le chiavi al silicio limite di tensione (mosfet) che possono sopravvivere senza sfondare?

Non c'è praticamente alcun limite; se la tua tensione supera la tensione di rottura di un componente, beh, mettine due in serie.

Ci sono raddrizzatori a base di semiconduttori al silicio per il trasferimento di energia CC ad alta tensione. Funzionano a circa 800 kV o superiore.

Tuttavia, sarebbe stupidamente costoso provare a utilizzare più kV come input per un alimentatore che alla fine genera una tensione di tre ordini di grandezza inferiore. Inoltre, è incredibilmente pericoloso gestire più kV all'interno delle installazioni domestiche, per quanto impossibile (l'isolamento può facilmente diventare più spesso delle aperture dei cavi).

— Marcus Müller
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Hmm, ero principalmente interessato alle forniture CPU \ GPU, sembra che abbiano bisogno di un posto intorno a 1 volt e infinitamente molti amplificatori (più hai = più chip puoi potenziare). Quindi esiste qualche dispositivo .. che potrebbe convertire 10kV 1amp in 1v 10kAmp?

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Cosa inseriresti tra l'input a 10kV e le tue 10000 GPU? Un trasformatore 10k-> 380? O esiste un potente alimentatore da 10 kilovolt?

Il 10KV verrebbe abbassato probabilmente 2 o più volte per arrivare a 400 V o giù di lì, che potrebbe quindi essere rettificato in corrente continua e gli alimentatori di commutazione lo abbasserebbero ulteriormente se necessario.

— CrossRoads

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L'alimentatore 1v 10kA è più simile a un grande saldatore a punti che a qualsiasi cosa ragionevole avere all'interno di un computer. Date le perdite resistive sembra sensato distribuire la potenza a 240 V e convertirla il più vicino possibile al punto di utilizzo.

— pjc50,

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@ xakepp35 le più grandi forniture per PC che ho visto da un produttore ragionevolmente affidabile sono 2KW (ex FSP ). Ho visto unità senza nome marginalmente più alte dalla Cina, ma non vorrei trovarmi in nessun edificio in cui si fosse eccitati. Probabilmente> 90% della loro produzione viene erogata in definitiva intorno a 1 V, ma a pochi centimetri di PCB dai chip consumanti per ovvie ragioni. Non sarei sorpreso se alcuni contenitori blade / PDU di grandi dimensioni potessero raggiungere i 10kW, anche se penso che normalmente utilizzino una tensione CC intermedia superiore rispetto ai 12V di ATX.

— Dan Fiddling By Firelight,

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Stanno effettivamente costruendo trasformatori a stato solido con maggiore efficienza e controllo, questi funzionano a 7,2kV

L'interruttore a cavallo dell'elettronica di potenza, il transistor bipolare a gate isolato a base di silicio (IGBT) si adatta meglio. Questi dispositivi sono stati utilizzati per costruire SST per applicazioni ferroviarie in Europa. E sono sicuramente più veloci. Ma i dispositivi commerciali più rigorosi possono resistere a tensioni fino a circa 6,5 kilovolt. Sebbene questa tensione di interruzione sia perfetta per una vasta gamma di applicazioni di potenza, non è sufficiente gestire l'elettricità che fluisce attraverso i trasformatori di distribuzione; negli Stati Uniti, una tensione tipica all'estremità inferiore dello spettro è 7,2 kV.

Stanno usando il carburo di silicio che ha un maggiore spazio di banda ed è più tollerante ai problemi di riscaldamento:

Fortunatamente, il silicio non è l'unica opzione. Negli ultimi 10 anni sono stati fatti passi da gigante nello sviluppo di interruttori basati su semiconduttori composti, in particolare il carburo di silicio. Il carburo di silicio ha una gamma di proprietà interessanti che derivano dal suo ampio spazio di banda: l'ostacolo energetico che deve essere superato per passare dall'isolante al conduttore. La larghezza di banda del carburo di silicio è di 3,26 volt di elettrone a 1,1 eV di silicio, il che significa che il materiale può essere esposto a campi elettrici e temperature significativamente più elevati rispetto al silicio senza rompere. E poiché questo semiconduttore composto può resistere a tensioni molto più elevate, i transistor di potenza costruiti da esso possono essere resi più compatti, il che a sua volta consente loro di passare molto più velocemente rispetto alle loro controparti a base di silicio.

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

— Picco di tensione
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Lo trovo difficile da credere (7 kV). Non sono dispositivi impilati con ciascuna giunzione valutata a 1200 V?

— Peter Mortensen,

I treni europei ad alta velocità AFAIK funzionano a 25kV.

— Salterio,

25 kV è la tensione di alimentazione; viene trasformato sui treni a circa 1500 V.

— Michael Harvey,

@PeterMortensen Credo che l'articolo di origine tenti di affrontare quel punto (tra i due punti citati qui). Non sono qualificato per giudicare la sua validità.

— Dan Fiddling By Firelight,

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Gli ibridi IGBT Mitsubishi con uscite BJT con ingresso FET ora possono commutare Megawatt e altissima tensione 15kV e sono anche utilizzati in inverter di potenza intelligenti e GTI da 600 V in array per ridondanza a GTI più piccoli come le unità Huawei 2000S 50kW.

Di seguito è riportato un IGBT ibrido Mitsubishi che ha molti brevetti per un'energia di commutazione eccezionalmente elevata e driver interni estremamente bassi ESL ed ESR. (induttanza e resistenza) Credo che stiano lavorando alla loro ottava generazione adesso.

TI ha anche grandi informazioni di design sui loro IGBT

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Grazie! Potresti fornire un link al nome del modello o almeno nominare la serie di prodotti?

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pensi di poter ricercare te stesso

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

(-1 per il commento "solo google it" in difesa di una risposta di sforzo davvero bassa)

— user371366

@ dn3s Di solito metto più sforzo della domanda, non è snarky, sta insegnando agli studenti come essere meno dipendenti google.com/…

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

non è questo il tipo di formazione che questo sito Web è progettato per fornire. L'obiettivo di stackexchange è di essere un riferimento, non un forum. Ad ogni modo, felice di vedere che hai migliorato la tua risposta, ho rimosso il mio -1 (anche se sembra ancora più un annuncio pubblicitario per un prodotto specifico mentre altre risposte rispondono più direttamente alla domanda stessa)

— user371366