Quelle est la tension maximale que le silicium peut supporter?

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Aujourd'hui, dans une course à l'efficacité, nous sommes passés des transformateurs aux alimentations à découpage. Presque toutes les alimentations ont été conçues pour un fonctionnement monophasé basse tension (220Vac / 310Vdc dans mon pays). Je n'ai jamais vu de blocs d'alimentation ATX 380 V triphasés de 3+ kW pour PC malgré leur efficacité et leur bruit d'ondulation plus faible. Ils seraient très utiles pour les piles de GPU. Je pense que c'est principalement parce que les condensateurs électrolytiques ne peuvent survivre au 660Vdc rectifié.

Et il pourrait être encore mieux de rectifier une ligne moyenne tension de 10 kV, comme cela arrive généralement au transformateur du village. Mais quelle est la limite de tension des dispositifs en silicium (MOSFET) qui peuvent survivre sans tomber en panne?

psmears
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Pensez-vous qu'il existe un marché important pour les alimentations ATX 380 V, triphasées, 3 kW? Est-il possible que personne ne construit ces fournitures parce qu'il n'y a pas assez d'acheteurs, plutôt qu'en raison de limitations techniques fondamentales?
Elliot Alderson
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Je suppose que peu de gens ont des prises triphasées facilement disponibles dans leur maison. Ceux qui le font peuvent tout aussi bien acheter du matériel spécialisé qui pourrait ne pas être sous forme ATX.
ilkkachu
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@ xakepp35 Exiger une sortie à courant élevé sur un rail particulier ne signifie pas que vous avez besoin d'une alimentation triphasée. Vous pouvez facilement obtenir des blocs d'alimentation monophasés de 1 200 W et même 1 500 W qui sont efficaces à 95% dans l'enveloppe de charge standard de 80 à 90%, ce qui est plus que suffisant pour les appareils qui utilisent réellement un bloc d'alimentation ATX.
Austin Hemmelgarn
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Une alimentation triphasée pour un appareil aussi faible que 3 kW semble complètement inutile. Les prises murales standard dans les maisons britanniques peuvent déjà fournir 3 kW chacune (240 V 13 A monophasé) et il y en a 6 dans la pièce où je tape ce commentaire! Je suppose que les codes électriques nationaux standard des autres pays sont similaires.
alephzero
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Au Royaume-Uni, nous avons généralement nos prises sur des circuits 32A 240V, nous avons donc rarement à nous soucier d'en mettre trop sur un circuit. D'autres pays ont tendance à avoir des circuits de prise de courant inférieurs.
Peter Green

Réponses:

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Vous pouvez obtenir des thyristors de 8 kV (à plusieurs milliers d'ampères) pour les convertisseurs HVDC. La porte est optiquement couplée pour les raisons évidentes et aussi parce que, lorsqu'elle est utilisée en tandem sur des liaisons HVDC, les différences de vitesse de commande de porte entre les thyristors connectés en série sont importantes et l'optique est un peu plus nette en termes de vitesse: -

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Empilez-en quelques-uns ensemble dans un plateau avec les divers extras dont vous avez besoin pour les contrôler en toute sécurité (amortisseurs, etc.) et vous obtenez l'un de ceux-ci: -

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Ensuite, vous construisez un monument aux dieux de Megavolt en empilant les plateaux comme suit: -

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Remarquez le petit gars au fond.

En ce qui concerne la puissance, j'ai lu qu'il faut 40 grammes de silicium pour contrôler 20 MW de puissance et beaucoup de ces installations font littéralement mille MW ou plus.

Et il pourrait être encore mieux de rectifier la ligne moyenne tension 10kV, comme cela arrive généralement au transformateur de village.

Ah mais vous n'obtenez pas une isolation sûre et fiable - une panne et 10 kV dans le câblage de votre maison ne sont pas bons. De plus, le seuil de rentabilité sur une liaison HVDC par rapport à une liaison AC régulière est de très nombreux kilomètres.

Où sont les blocs d'alimentation triphasés 380v à 12V?

Et bien il y a un accroc technique inhérent au circuit utilisé depuis de nombreuses années dans le circuit redresseur triphasé "standard": -

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Le problème est de savoir comment ils commutent et corrigent le facteur de puissance. Au bon vieux temps, personne ne s'en souciait, mais ces jours-ci, la propreté des PF et de l'approvisionnement est primordiale dans de nombreux pays. Et c'est le problème avec le redresseur triphasé standard - il ne peut pas être corrigé PF car les diodes ne peuvent pas conduire de 0 volts à 0 volts (tout au long d'un demi-cycle) en raison de l'effet de blocage des autres phases et de leurs diodes. Le courant pulsé prélevé sur l'alimentation triphasée est vraiment mauvais.

La solution consiste à utiliser trois alimentations monophasées (et corrigées PF) contribuant à l'alimentation d'un bus CC commun. Ainsi, l'alimentation de commutation triphasée moderne est en fait trois alimentations monophasées.

Comment les thyristors HVDC peuvent-ils vous demander? Ils utilisent des filtres gros comme des petites maisons pour éteindre les harmoniques générées.

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Remarquez la taille relative des filtres harmoniques par rapport à la "salle des soupapes" où se trouvent toutes les "soupapes" des thyristors. Toutes sortes de filtres doubles et simples sont utilisés juste pour supprimer ces harmoniques et, si la même technique était utilisée sur des alimentations à commutation triphasée standard plus ordinaires (celles qui ne respecteront jamais la législation moderne), devinez quoi; le coût du filtrage est supérieur au coût supplémentaire des fournitures individuelles avec correction PF intégrée.

Pourriez-vous fournir un lien vers le nom du modèle, ou au moins nommer la série de produits?

Disques thyristor Infineon jusqu'à 8 kV et 4800 ampères .

Andy aka
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Je ne savais pas ce que vous vouliez dire par couplage optique (ou quelles raisons évidentes s'appliquaient), alors j'ai fait quelques lectures sur Wikipédia, ce qui expliquait assez bien la situation. Cependant, je note que l'article de Wikipédia, bien qu'il mentionne l'utilisation et les avantages du couplage optique, suggère qu'il n'est toujours pas courant et que le couplage électrique est encore plus la norme. Cet article serait-il obsolète, alors? Ou peut-être que les versions 8 kV sont celles qui obtiennent le couplage optique?
KRyan
@KRyan pour sûr, les LED à couplage optique sont la réserve des types cotés haute tension que j'ai mentionnés dans ma réponse.
Andy aka
Ah, j'ai parlé mal: Wikipédia parlait de «HVDC» - le 8 kV est-il particulièrement élevé même dans cette catégorie?
KRyan
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Je peux répondre pour l'un d'eux. Nous avons cessé d'utiliser des thyristors à couplage optique dans les années 80.
winny
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@Barleyman Non, cela ne fonctionnera pas - pensez-y ou dessinez-le pour voir les problèmes. À tout le moins, la phase la plus active (celle qui culmine le plus positivement) inversera la polarisation des ponts des deux autres phases, ce qui signifie qu'il ne peut y avoir de courant pendant une période significative du cycle, ce qui signifie que la correction PF ne peut pas travail.
Andy aka
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Mais quelle est la limite de tension des clés en silicium (mosfets) peuvent survivre sans percer?

Il n'y a pratiquement aucune limite; si votre tension dépasse la tension de claquage d'un composant, eh bien, mettez deux en série.

Il existe des redresseurs à base de semi-conducteurs au silicium pour le transfert de puissance CC haute tension. Ceux-ci fonctionnent autour de 800 kV ou plus.

Pourtant, il serait stupidement cher d'essayer d'utiliser plusieurs kV comme entrée d'une alimentation électrique qui, à la fin, génère une tension de trois ordres de grandeur plus petite. En outre, il est incroyablement dangereux de gérer plusieurs kV dans les installations domestiques, voire impossible (l'isolement peut facilement devenir plus épais que les ouvertures de câbles).

Marcus Müller
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Hmm, j'étais principalement intéressé par les fournitures CPU \ GPU, il semble qu'elles aient besoin d'environ 1 volt et infiniment de nombreux ampères (plus vous en avez = plus de puces que vous pouvez autoriser). Existe-t-il donc un appareil .. qui pourrait convertir 10kV 1amp en 1v 10kAmp?
1
Que mettriez-vous entre une entrée 10kV et vos 10000 GPU? Un transformateur 10k-> 380? Ou existe-t-il un puissant bloc d'alimentation de 10 kilovolts?
Le 10KV serait abaissé probablement 2 fois ou plus pour atteindre environ 400V, qui pourrait ensuite être rectifié en courant continu et les alimentations à découpage le réduiraient davantage si nécessaire.
CrossRoads
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L'alimentation 1v 10kA ressemble plus à une grande soudeuse par points qu'à n'importe quoi de raisonnable à l'intérieur d'un ordinateur. Compte tenu des pertes résistives, il semble judicieux de distribuer la puissance à 240 V et de convertir le plus près possible du point d'utilisation.
pjc50
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@ xakepp35 les plus grandes fournitures de PC que j'ai vues d'un fabricant de bonne réputation sont 2KW (ex FSP ). J'ai vu des unités sans nom légèrement plus élevées en provenance de Chine, mais je ne voudrais pas être dans un bâtiment où l'on est sous tension. Probablement> 90% de leur sortie est finalement livrée autour de 1V, mais à quelques pouces PCB des puces consommatrices pour des raisons évidentes. Je ne serais pas surpris si certains grands boîtiers à lame / PDU en rack pouvaient atteindre 10 kW, bien que je pense qu'ils utilisent normalement une tension CC intermédiaire plus élevée que le 12V de l'ATX.
Dan est en train de jouer par Firelight le
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Ils construisent en fait des transformateurs à semi-conducteurs avec une plus grande efficacité et un meilleur contrôle, ceux-ci fonctionnent à 7,2 kV

Le commutateur performant de l'électronique de puissance, le transistor bipolaire à grille isolée à base de silicium (IGBT), convient mieux. Ces appareils ont été utilisés pour construire des SST pour des applications ferroviaires en Europe. Et ils sont certainement plus rapides. Mais les appareils commerciaux les plus rigoureux peuvent supporter des tensions allant jusqu'à environ 6,5 kilovolts seulement. Bien que cette tension de claquage soit parfaitement adaptée à une gamme d'applications électriques, elle n'est pas suffisante pour gérer l'électricité qui circule dans les transformateurs de distribution; aux États-Unis, une tension typique à l'extrémité inférieure du spectre est de 7,2 kV.

Ils utilisent du carbure de silicium qui a une plus grande bande interdite et est plus tolérant aux problèmes de chauffage également:

Heureusement, le silicium n'est pas la seule option. Au cours des 10 dernières années, de grands progrès ont été réalisés dans le développement de commutateurs à base de semi-conducteurs composés - le carbure de silicium en particulier. Le carbure de silicium possède une gamme de propriétés attrayantes qui découlent de sa large bande interdite - l'obstacle énergétique qui doit être surmonté pour passer de l'isolant au conducteur. La bande interdite du carbure de silicium est de 3,26 électron-volts à 1,1 eV du silicium, ce qui signifie que le matériau peut être exposé à des champs électriques et à des températures beaucoup plus élevés que le silicium sans se décomposer. Et parce que ce semi-conducteur composé peut supporter des tensions beaucoup plus élevées, les transistors de puissance construits à partir de celui-ci peuvent être rendus plus compacts, ce qui leur permet de commuter beaucoup plus rapidement que leurs homologues à base de silicium.

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

Pic de tension
la source
Je trouve cela difficile à croire (7 kV). Ne sont-ils pas des appareils empilés avec chaque jonction évaluée à 1200 V?
Peter Mortensen
Les trains à grande vitesse européens AFAIK fonctionnent à 25 kV.
MSalters
25 kV est la tension d'alimentation; il est transformé dans les trains à environ 1500V.
Michael Harvey
@PeterMortensen Je pense que l'article source tente de répondre à ce point (entre les deux paras cités ici). Je ne suis pas qualifié pour juger de sa validité.
Dan est en train de jouer par Firelight le
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Les hybrides IGBT de Mitsubishi avec des sorties BJT à entrée FET peuvent désormais commuter des mégawatts et des très hautes tensions de 15 kV et sont également utilisés dans des onduleurs intelligents et des GTI de 600 V en réseaux pour la redondance vers des GTI plus petits tels que les unités 2000S 50kW de Huawei.

Vous trouverez ci-dessous un IGBT hybride Mitsubishi qui possède de nombreux brevets pour une énergie de commutation exceptionnellement élevée et un pilote interne ESL et ESR extrêmement faible. (inductance et résistance) Je crois qu'ils travaillent maintenant sur leur 8e génération. entrez la description de l'image ici entrez la description de l'image ici entrez la description de l'image ici

TI a également d'excellentes informations de conception sur leurs IGBT

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Merci! Pourriez-vous fournir un lien vers le nom du modèle, ou au moins nommer la série de produits?
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pensez-vous que vous pouvez rechercher vous
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
(-1 pour le commentaire snarky "juste google it" en défense d'une réponse à très faible effort)
user371366
@ dn3s Je mets habituellement plus d'efforts que la question, ce n'est pas sarcastique, c'est apprendre aux apprenants à être moins dépendants google.com/…
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
ce n'est pas le genre de formation que ce site Web est conçu pour offrir. L'objectif de stackexchange est d'être une référence, pas un forum. Quoi qu'il en soit, heureux de voir que vous avez amélioré votre réponse, j'ai supprimé mon -1 (même si cela ressemble encore plus à une publicité pour un produit spécifique tandis que d'autres réponses traitent plus directement la question elle-même)
user371366