Qu'est-ce qu'un transformateur à état solide ? 2025Tech, Structure et principes expliqués

Champ: Conception et Maintenance

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1. Qu'est-ce qu'un transformateur à état solide (SST) ?

1.1 Principes de base et limitations des transformateurs conventionnels

L'article passe d'abord en revue l'histoire (par exemple, le brevet de Stanley de 1886) et les principes de base des transformateurs conventionnels. Basés sur l'induction électromagnétique, les transformateurs traditionnels sont composés de noyaux en acier silicium, de bobinages en cuivre ou en aluminium, et de systèmes d'isolation/refroidissement (huile minérale ou type sec). Ils fonctionnent à des fréquences fixes (50/60 Hz ou 16⅔ Hz), avec des rapports de transformation de tension fixes, des capacités de transfert de puissance, et des caractéristiques de fréquence fixes.

Avantages des transformateurs conventionnels :

Coût faible
Haute fiabilité (rendement >99%)
Capacité de limitation du courant de court-circuit

Inconvénients incluent :

Taille importante et poids élevé
Sensibilité aux harmoniques et au biais continu
Aucune protection contre la surcharge
Risques d'incendie et environnementaux

1.2 Définition et origine des transformateurs à état solide

Un transformateur à état solide (SST) est une alternative aux transformateurs conventionnels basée sur la technologie électronique de puissance, dont l'origine remonte au concept de "transformateur électronique" de McMurray en 1968. Les SSTs réalisent la transformation de tension et l'isolation galvanique par un stade d'isolation à moyenne fréquence (MF), tout en offrant plusieurs fonctions de contrôle intelligent.

La structure de base d'un SST comprend :

Interface de tension moyenne (MV)
Stade d'isolation à moyenne fréquence (MF)
Liens de communication et de contrôle

2. Défis de conception des SSTs

2.1 Défi : Gestion de la tension moyenne (MV)

Les niveaux de tension moyenne (par exemple, 10 kV) dépassent largement les tensions admissibles des dispositifs semi-conducteurs existants (IGBT en Si jusqu'à 6,5 kV, MOSFET en SiC ~10–15 kV). Par conséquent, il faut adopter soit une approche multi-cellules (modulaire) soit une approche mono-cellule (dispositif haute tension).

Avantages des solutions multi-cellules :

Conception modulaire et redondante
Formes d'onde de sortie multi-niveaux, réduisant les exigences de filtrage
Support pour le changement à chaud et la tolérance aux pannes

Avantages des solutions mono-cellules :

Structure plus simple
Adapté aux systèmes triphasés

2.2 Défi : Sélection de la topologie

Les topologies des SSTs peuvent être catégorisées comme suit :

Front-end isolé (IFE) : Isolation avant la rectification
Back-end isolé (IBE) : Rectification avant l'isolation
Type convertisseur matriciel : Conversion directe AC-AC
Convertisseur modulaire multination (M2LC)

2.3 Défi : Fiabilité

Les transformateurs conventionnels sont extrêmement fiables, tandis que les SSTs intègrent de nombreux semi-conducteurs, circuits de commande et systèmes de refroidissement, rendant la fiabilité un souci crucial. L'article introduit les diagrammes de blocs de fiabilité (RBD) et les modèles de taux de défaillance (λ en FIT), indiquant que la redondance peut améliorer considérablement la fiabilité du système.

2.4 Défi : Convertisseurs de puissance isolés à moyenne fréquence

Les topologies courantes comprennent :

Double pont actif (DAB) : Le flux de puissance est contrôlé via un décalage de phase, permettant la commutation douce
Convertisseur série résonnant à mode discontinu demi-cycle (HC-DCM SRC) : Atteint ZCS/ZVS, présentant des caractéristiques de "transformateur continu"

2.5 Défi : Conception des transformateurs à moyenne fréquence

Les transformateurs à moyenne fréquence fonctionnent à des fréquences de l'ordre du kHz, faisant face à des défis tels que :

Volume du noyau magnétique plus petit
Conflit entre isolation et gestion thermique
Répartition inégale du courant dans le fil Litz

2.6 Défi : Coordination de l'isolation

Les unités de tension moyenne nécessitent une isolation élevée vers la terre, nécessitant la prise en compte de :

Stress électrique combiné de la fréquence secteur 50 Hz et du champ électrique à moyenne fréquence
Pertes diélectriques et risque de surchauffe localisée

2.7 Défi : Interférences électromagnétiques (EMI)

Les courants commun-modes générés lors de la commutation MV peuvent circuler vers la terre via la capacité parasite et doivent être supprimés en utilisant des chokes commun-modes.

2.8 Défi : Protection

Les SSTs doivent gérer les surtensions, les surintensités, les coups de foudre et les courts-circuits. Les fusibles et les parafoudres traditionnels restent applicables mais devraient être combinés avec des stratégies de limitation électronique du courant et d'absorption d'énergie.

2.9 Défi : Contrôle

Les systèmes de contrôle des SSTs sont complexes et nécessitent une structure hiérarchique :

Contrôle externe : Interaction avec le réseau, dispatching de puissance
Contrôle interne : Régulation de tension/courant, gestion de la redondance
Contrôle au niveau de l'unité : Modulation et protection

2.10 Défi : Construction des convertisseurs modulaires

La construction de systèmes modulaires MV pratiques implique :

Conception de l'isolation
Systèmes de refroidissement
Communication et alimentation auxiliaire
Structure mécanique et support de changement à chaud

2.11 Défi : Essais des convertisseurs MV

Les installations d'essai MV sont complexes et nécessitent :

Sources/charges de haute tension et haute puissance
Équipements de mesure de haute précision (par exemple, sondes différentielles haute tension)
Stratégies de test de sauvegarde (par exemple, tests back-to-back)

3. Applicabilité et cas d'utilisation des SSTs

3.1 Applications de réseau

Les SSTs peuvent être utilisés dans les réseaux électriques pour :

Régulation de tension et compensation de puissance réactive
Filtrage harmonique et amélioration de la qualité de l'énergie
Intégration d'interfaces DC (par exemple, stockage d'énergie, photovoltaïque)

Cependant, comparativement aux transformateurs à fréquence de ligne (LFT) conventionnels, les SSTs font face à un "défi d'efficacité" :

L'efficacité des LFT peut atteindre 98,7%
Les SSTs atteignent généralement seulement ~96,3% en raison de la conversion multi-étapes
Réduction limitée de la taille et du poids (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)
Coût significativement plus élevé (>52 700 USD vs. 11 300 USD)

3.2 Applications de traction

Les systèmes de traction (par exemple, locomotives électriques) ont des exigences strictes en termes de taille, de poids et d'efficacité, où les SSTs offrent des avantages clairs :

Réduction significative de la taille du transformateur grâce à des fréquences de fonctionnement plus élevées (par exemple, 20 kHz)
Optimisation double de l'efficacité et de la réduction du volume

3.3 Applications DC-DC

Dans les systèmes DC (par exemple, collecte d'énergie éolienne offshore, centres de données), les SSTs sont la seule solution d'isolement viable, car leur fréquence de fonctionnement peut être librement choisie sans être contrainte par la fréquence du réseau.