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

Hoy, en una carrera por la eficiencia, hemos pasado de los transformadores a las fuentes de alimentación conmutadas. Casi todas las PSU fueron diseñadas 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 capacitores electrolíticos no pueden sobrevivir a 660Vdc rectificados.

Y podría ser aún mejor rectificar una línea de media tensión de 10kV, como suele llegar al transformador del pueblo. Pero, ¿cuál es el límite de voltaje que los dispositivos de silicio (MOSFET) pueden sobrevivir sin averiarse?

¿Cree que hay mucho mercado para las fuentes de alimentación ATX de 380 V, trifásicas y 3 kW? ¿Es posible que nadie fabrique estos suministros porque no hay suficientes compradores y no por limitaciones técnicas fundamentales?
@ElliotAlderson sí, cualquier cálculo lo requeriría. minería de criptomonedas - asics/gpus/cpus - todos requieren muchos amperios en la línea de 12V. plegamiento de proteínas proyecto folding@home, física, simulación de partículas, redes neuronales e IA. ¡SI! ¡HAY mercado para uso industrial! ¿Dónde están las fuentes de alimentación trifásicas de 380v a 12V?
Supongo que no muchas personas tienen tomacorrientes trifásicos disponibles en su casa. Aquellos que lo hagan, también pueden comprar equipos especializados que podrían no venir en un factor de forma ATX.
@ xakepp35 Requerir una salida de alta corriente en un riel en particular no significa que necesite una fuente de alimentación trifásica. Puede obtener fácilmente fuentes de alimentación monofásicas de 1200 W e incluso de 1500 W con una eficiencia superior al 95 % en el entorno de carga estándar del 80-90 %, lo que es más que suficiente para los dispositivos que realmente utilizan una fuente de alimentación con factor de forma ATX.
Un suministro trifásico para un dispositivo con una potencia tan baja 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 están los seis en diferentes circuitos? Mi oficina en casa tiene 6 tomacorrientes, pero todos están en el mismo disyuntor, por lo que tengo 120*20=2400 W máx.
En el Reino Unido, normalmente tenemos nuestros enchufes en circuitos de 32 A y 240 V, por lo que rara vez tenemos que preocuparnos por poner demasiado en un circuito. Otros países tienden a tener circuitos de enchufes de menor capacidad nominal.
@ xakepp35 Para usos masivos de los tipos que describe, la industria a menudo usará el suministro de CC directamente, alimentando algunos bastidores o una habitación completa desde 2 potentes fuentes de alimentación de CA (con fines de redundancia). Apuesto a que si buscas en Google los encontrarás. Si solo está minando bitcoins en 3-10 máquinas, probablemente no encontrará una fuente de alimentación de 380v lo suficientemente pequeña. También sería una tontería tener uno en cada una de sus PC cuando podría tener uno y ejecutar DC en toda su sala de computadoras. La CC también es mucho más fácil de respaldar con baterías de ácido-led.
"Creo que se debe principalmente a que los capacitores electrolíticos no pueden sobrevivir a 660Vdc rectificados". Sí pueden. He sido responsable de productos con pilas de capacitores que manejan 800Vdc. No son comunes, pero definitivamente existen desde hace al menos 25 años.
Su ejemplo ATX no tiene nada que ver con las limitaciones del silicio. ¿Has hecho alguna investigación? ¡Buscalo en Google! ¿Cuál es el BJT con la tensión nominal más alta que puedes encontrar? MOSFET? ¿IGBT? tiristor? ¿Diodo?

Respuestas (4)

Puede obtener tiristores de 8 kV nominales (a varios miles de amperios) para usar en convertidores HVDC. La puerta está acoplada ópticamente por razones obvias y también porque, cuando se usa en tándem en enlaces HVDC, las diferencias de velocidad de activación de la puerta entre los tiristores conectados en serie son importantes y la velocidad óptica es un poco más clara: -

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Apila algunos en una bandeja con los diversos extras que necesitas para controlarlos de forma segura (amortiguadores, etc.) y obtienes uno de estos: -

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Luego construyes un monumento a los dioses de Megavolt apilando las bandejas así: -

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Observe al pequeño 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, de mil MW o más.

Y podría ser aún mejor rectificar la línea de media tensión de 10kV, como suele llegar al transformador de pueblo.

Ah, pero no obtiene un aislamiento seguro que sea confiable: una falla y 10 kV en el cableado de su casa no son buenos. Además, el punto de equilibrio en un enlace HVDC frente a un enlace de CA 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 la actualidad, 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 suministros monofásicos (y FP corregidos) que aporten energía a un bus de CC común. Entonces, el suministro de conmutación trifásico moderno es, de hecho, tres suministros monofásicos.

¿Cómo lo hacen los tiristores HVDC?, podría preguntarse. Utilizan filtros del tamaño de casas pequeñas para apagar los armónicos generados.

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Observe el tamaño relativo de los filtros armónicos en comparación con la "sala de válvulas" donde se encuentran todas las "válvulas" de tiristores. Todo tipo de filtros sintonizados dobles y sencillos se usan solo para eliminar esos armónicos y, si se usara la misma técnica en suministros de conmutación trifásicos estándar más comunes (los que nunca cumplirán con la legislación moderna), entonces adivinen qué; el costo del filtrado es mayor que el costo adicional de los suministros individuales con corrección FP incorporada.

¿Podría proporcionar un enlace al nombre del modelo, o al menos nombrar la serie del producto?

Discos de tiristores Infineon clasificados hasta 8 kV y 4800 amperios .

No sabía a qué se refería con acoplado 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 señala el uso y las ventajas del acoplamiento óptico, sugiere que todavía no es común y que el acoplamiento eléctrico es aún más la norma. ¿Entonces ese artículo estaría desactualizado? ¿O tal vez las versiones de 8 kV son las que están obteniendo el acoplamiento óptico?
@KRyan seguro, los LED acoplados ópticamente son la reserva de los tipos de alto voltaje que mencioné en mi respuesta.
Ah, hablé poco claro: Wikipedia estaba hablando de "HVDC": ¿8 kV es particularmente alto incluso en esa categoría?
No estoy seguro de lo que quiere decir: los tiristores de 8 kV son los mejores de la gama y eso hace que 8 kV sean particularmente altos, pero no sé a qué categoría se refiere.
Lo que quiero decir es que, al hablar de los tiristores utilizados en HVDC, Wikipedia señaló las ventajas del acoplamiento óptico, pero también sugirió que todavía no eran tan comunes y que la mayoría de los tiristores en HVDC todavía están acoplados eléctricamente. Supongo que mi pregunta es si eso es cierto (pero el acoplamiento óptico se convierte en la norma cuando llegas a la parte superior de la categoría), o si el artículo está desactualizado y debe actualizarse.
Lo siento, no puedo hablar en nombre de toda la industria; espero que algunas empresas sigan usando acoplado no óptico y algunas acoplado ópticamente. Intente preguntar a ABB, GE Grid y Siemens (los tres jugadores principales).
"no puede conducir de 0 voltios a 0 voltios"? Eso parece algo incorrecto... ¿No podrías conectar tres puentes rectificadores estándar en la parte delantera y conectar las salidas en paralelo?
Puedo responder por uno de ellos. Dejamos de usar tiristores acoplados ópticamente en los años 80.
@Barleyman No, eso no funcionará; piénselo o dibújelo para ver los problemas. Como mínimo, la fase más activa (la que tiene un pico más positivo) invertirá la polarización de los puentes de las otras dos fases, lo que significa que no puede haber corriente de ellos durante un período significativo del ciclo y esto significa que la corrección de FP no puede trabaja.
Excelente y muy detallada respuesta, fue bueno leer cosas nuevas. Gracias, parece que tengo que leer algunos wikis sobre "qué es la corrección de PF ".

Pero, ¿cuál es el límite de voltaje que las teclas 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 trabajan 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 del hogar, hasta el punto de ser imposible (el aislamiento puede volverse más grueso que las aberturas de los cables).

Hmm, estaba interesado principalmente en los suministros de CPU\GPU, parece que necesitan alrededor de 1 voltio e infinidad de amperios (más tienes = más chips que puedes potenciar). Entonces, ¿existe algún dispositivo que pueda convertir 10kV 1amp a 1v 10kAmp?
¿Qué pondrías entre una entrada de 10kV y tus 10000 GPU? ¿Un transformador 10k->380? ¿O existe alguna fuente de alimentación potente de 10 kilovoltios?
Los 10 KV se reducirían probablemente 2 o más veces para llegar a 400 V más o menos, que luego podrían rectificarse en CC y las fuentes de alimentación conmutadas lo reducirían aún más según sea necesario.
La fuente de alimentación de 1v 10kA se parece más a un soldador de puntos grande que a algo sensato para tener dentro de una computadora. Dadas las pérdidas resistivas, parece sensato distribuir energía a 240 V y convertir lo más cerca posible del punto de uso.
800 kV para un solo empalme? ¿O son de alguna manera compuestos (varias uniones)?
@xakepp35 los suministros de PC más grandes que he visto de un fabricante de buena reputación son 2KW (ex FSP ). He visto unidades sin nombre marginalmente más altas de China, pero no me gustaría estar en ningún edificio donde uno esté energizado. Probablemente >90% de su salida finalmente se entregue alrededor de 1V, pero dentro de unas pocas pulgadas de PCB de los chips de consumo por razones obvias. No me sorprendería si algunas PDU para rack o gabinetes blade grandes pudieran alcanzar los 10 kW, aunque creo que normalmente usan un voltaje de CC intermedio más alto que los 12 V de ATX.
El " Virtualmente no hay límite; " me hace decir ":(", y por lo general nunca muestro emociones.

Actualmente están construyendo transformadores de estado sólido con mayor eficiencia y control, estos funcionan a 7.2kV

El interruptor caballo de batalla de la electrónica de potencia, el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) basado en silicio es una mejor opción. 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 unos 6,5 kilovoltios. Si bien este voltaje de ruptura está perfectamente bien para una variedad 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, carburo de silicio. El carburo de silicio tiene una gama de propiedades atractivas que se derivan de su gran banda prohibida, el obstáculo energético que debe superarse para cambiar de aislante a conductor. La banda prohibida del carburo de silicio es de 3,26 electronvoltios frente a los 1,1 eV del silicio, lo que significa que el material puede estar expuesto a campos eléctricos y temperaturas significativamente más altos 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. Una velocidad de conmutación más rápida también reduce la pérdida de energía,

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

Me resulta difícil de creer (7 kV). ¿No son dispositivos apilados con cada unión nominal de 1200 V?
AFAIK Los trenes europeos de alta velocidad funcionan a 25 kV.
25 kV es la tensión de alimentación; se transforma en los trenes a unos 1500V.
@PeterMortensen Creo que el artículo fuente intenta abordar ese punto (entre los dos párrafos citados aquí). No estoy calificado para juzgar su validez.

Los híbridos IGBT de Mitsubishi con salidas BJT de entrada FET ahora pueden cambiar megavatios y voltaje muy alto de 15 kV y también se utilizan en inversores de potencia inteligentes y GTI de 600 V en matrices para redundancia a GTI más pequeños como las unidades 2000S de 50 kW de Huawei.

A continuación se muestra un IGBT híbrido de Mitsubishi que tiene muchas patentes de energía de conmutación excepcionalmente alta y ESL y ESR de controlador interno extremadamente bajos. (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

¡Gracias! ¿Podría proporcionar un enlace al nombre del modelo, o al menos nombrar la serie del producto?
¿Crees que puedes investigar por ti mismo?
(-1 por el comentario sarcástico "solo búscalo en Google" en defensa de una respuesta de muy bajo esfuerzo)
@ dn3s Por lo general, pongo más esfuerzo que la pregunta, no es sarcástico, está capacitando a los alumnos sobre cómo ser menos dependientes google.com/…
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, eliminé mi -1 (aunque todavía parece más un anuncio de un producto específico, mientras que otras respuestas abordan más directamente la pregunta en sí)
¿Cuál es el voltaje máximo que puede manejar el silicio?
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