Was ist ein Festkörpertransformator? 2025Tech, Struktur & Prinzipien erklärt

1. Was ist ein Festkörperspannungswandler (SST)?

1.1 Grundlagen und Grenzen herkömmlicher Spannungswandler

Der Artikel beginnt mit einer Überprüfung der Geschichte (z.B. Stanleys Patent von 1886) und den grundlegenden Prinzipien herkömmlicher Spannungswandler. Basierend auf elektromagnetischer Induktion bestehen traditionelle Spannungswandler aus Siliziumstahlkernen, Kupfer- oder Aluminiumwicklungen und Isolierungs-/Kühlungssystemen (Mineralöl oder Trockentyp). Sie arbeiten bei festen Frequenzen (50/60 Hz oder 16⅔ Hz), mit festen Spannungsverhältnissen, Leistungsübertragungsfähigkeiten und Frequenzeigenschaften.

Vorteile herkömmlicher Spannungswandler:

• Niedrige Kosten

• Hohe Zuverlässigkeit (Effizienz >99%)

• Fähigkeit zur Begrenzung des Kurzschlussstroms

Nachteile umfassen:

• Große Größe und hohes Gewicht

• Empfindlichkeit gegenüber Harmonischen und Gleichstromvorspannung

• Kein Überlastschutz

• Brand- und Umweltgefahren

1.2 Definition und Ursprung von Festkörperspannungswandlern

Ein Festkörperspannungswandler (SST) ist eine Alternative zu herkömmlichen Spannungswandlern, basierend auf Leistungselektronik-Technologie, mit Ursprüngen, die bis zu McMurrays "elektronischem Spannungswandler" Konzept von 1968 zurückreichen. SSTs erreichen Spannungswandlung und galvanische Isolation durch eine Mittelfrequenz-Isolationsstufe (MF) und bieten gleichzeitig mehrere intelligente Steuerfunktionen.

Die grundlegende Struktur eines SSTs umfasst:

• Mittelspannungs-Schnittstelle (MV)

• Mittelfrequenz-Isolationsstufe (MF)

• Kommunikations- und Steuerungsverbindungen

2. Entwurfsprobleme von SSTs

2.1 Herausforderung: Umgang mit Mittelspannung (MV)

Mittelspannungspegel (z.B. 10 kV) überschreiten die Spannungsbeiwerte existierender Halbleiterbauteile (Si IGBTs bis 6,5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV) weit. Daher muss entweder ein Mehrzellen- (modulares) oder Einzelzellenansatz (Hochspannungsbauteil) gewählt werden.

Vorteile der Mehrzellenlösungen:

• Modularer und redundant gestalteter Aufbau

• Mehrstufige Ausgangswellenformen, die Filteranforderungen reduzieren

• Unterstützung für Hot-Swapping und Fehlertoleranz

Vorteile der Einzelzelllösungen:

• Einfachere Struktur

• Geeignet für Drehstromsysteme

2.2 Herausforderung: Topologieauswahl

SST-Topologien können in folgende Kategorien unterteilt werden:

• Isolierte Front-End (IFE): Isolation vor Rektifizierung

• Isolierte Back-End (IBE): Rektifizierung vor Isolation

• Matrixkonverter-Typ: Direkte AC-AC-Konversion

• Modularer Mehrebenen-Wandler (M2LC)

2.3 Herausforderung: Zuverlässigkeit

Herkömmliche Spannungswandler sind extrem zuverlässig, während SSTs zahlreiche Halbleiter, Steuerkreise und Kühlungssysteme beinhalten, was die Zuverlässigkeit zu einem kritischen Anliegen macht. Der Artikel führt Zuverlässigkeitsblockdiagramme (RBD) und Ausfallratenmodelle (λ in FIT) ein, die zeigen, dass Redundanz die Systemzuverlässigkeit erheblich verbessern kann.

2.4 Herausforderung: Mittelfrequenz-isolierte Leistungswandler

Gängige Topologien umfassen:

• Doppelter Aktiver Brückenschaltung (DAB): Leistungsfluss wird über Phasenverschiebung gesteuert, ermöglicht sanfte Schaltvorgänge

• Halbzylindrischer Diskontinuierlicher Modus Serieller Resonanzwandler (HC-DCM SRC): Erreicht ZCS/ZVS, zeigt "Gleichstromtransformator"-Charakteristiken

2.5 Herausforderung: Design von Mittelfrequenz-Transformator

Mittelfrequenz-Transformator arbeiten bei kHz-Frequenzen und stellen Herausforderungen wie folgende dar:

• Kleinere magnetische Kernvolumina

• Konflikt zwischen Isolierung und Wärmeabfuhr

• Ungleichmäßige Stromverteilung in Litzdraht

2.6 Herausforderung: Koordination der Isolation

Mittelspannungseinheiten erfordern hohe Isolierung zum Erdpotential, was die Berücksichtigung von folgendem erfordert:

• Kombinierte 50 Hz Netzfrequenz- und Mittelfrequenz elektrisches Feldstress

• Dielektrische Verluste und Risiko lokaler Überhitzung

2.7 Herausforderung: Elektromagnetische Störungen (EMI)

Während der MV-Schaltvorgänge erzeugte Gemeinschaftsmodenströme können über parasitäre Kapazitäten zum Erdpotential fließen und müssen durch Gemeinschaftsmoden-Drosseln unterdrückt werden.

2.8 Herausforderung: Schutz

SSTs müssen mit Überspannungen, Überströmen, Blitzschlägen und Kurzschlüssen umgehen. Traditionelle Sicherungen und Überspannungsschützer bleiben anwendbar, sollten aber mit elektronischen Strombegrenzungs- und Energieabsorptionsstrategien kombiniert werden.

2.9 Herausforderung: Steuerung

SST-Steuerungssysteme sind komplex und erfordern eine hierarchische Struktur:

• Externe Steuerung: Netzinteraktion, Leistungssteuerung

• Interne Steuerung: Spannungs-/Stromregelung, Redundanzmanagement

• Gerätesteuerung: Modulation und Schutz

2.10 Herausforderung: Bau modularer Wandler

Der Bau praktikabler MV-modularer Systeme umfasst:

• Isolierungsdesign

• Kühlsysteme

• Kommunikation und Hilfsenergie

• Mechanische Struktur und Unterstützung für Hot-Swapping

2.11 Herausforderung: Testen von MV-Wandlern

MV-Testeinrichtungen sind komplex und erfordern:

• Hochspannungs-, Hochleistungquellen/Lasten

• Hochpräzisionsmessgeräte (z.B. Hochspannungs-Differenzsonden)

• Reserve-Teststrategien (z.B. Rück-zu-Rück-Tests)

3. Anwendbarkeit und Einsatzfälle von SSTs

3.1 Netzwerkanwendungen

SSTs können in Stromnetzen für folgende Zwecke eingesetzt werden:

• Spannungsregelung und Blindleistungskompensation

• Harmonische Filterung und Verbesserung der Stromqualität

• Integration von DC-Schnittstellen (z.B. Energiespeicher, Photovoltaik)

Allerdings stellen SSTs im Vergleich zu herkömmlichen Netzfrequenz-Transformator (LFTs) eine "Effizienzherausforderung" dar:

• LFT-Effizienz kann 98,7% erreichen

• SSTs erreichen typischerweise nur ~96,3% aufgrund der mehrstufigen Konvertierung

• Begrenzte Verringerung der Größe und des Gewichts (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)

• Signifikant höhere Kosten (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Traktionsanwendungen

Traktionsysteme (z.B. elektrische Lokomotiven) haben strenge Anforderungen an Größe, Gewicht und Effizienz, bei denen SSTs klare Vorteile bieten:

• Signifikante Verringerung der Transformatorgröße durch höhere Arbeitsfrequenzen (z.B. 20 kHz)

• Doppelte Optimierung von Effizienz und Volumenreduktion

3.3 DC-DC-Anwendungen

In Gleichstromsystemen (z.B. Offshore-Windkraftsammlung, Rechenzentren) sind SSTs die einzige gangbare Isolierungslösung, da ihre Arbeitsfrequenz frei gewählt werden kann, ohne von der Netzfrequenz eingeschränkt zu sein.

4. Zukünftige Konzepte und Schlussfolgerung

4.1 Zukünftige Anwendungsszenarien

• Unterwasser-Öl- und Gasverarbeitungssysteme

• Luftgestützte Windturbinen

• Elektrische Flugzeuge

• Marine Mittelspannungs-Gleichstrom-Systeme (MVDC)