מהו טרנספורטור סולידי? 2025Tech, מבנה ועקרונות מוסברים

1. מהו טרנספורטר סטטי מוצק (SST)?

1.1 עקרונות ומגבלות של טרנספורטרים קונבנציונליים

המאמר מתחילה בסקירת ההיסטוריה (לדוגמה, פטנטו של סטנלי מ-1886) והעקרונות הבסיסיים של טרנספורטרים קונבנציונליים. על בסיס השראות אלקטרומגנטיות, טרנספורטרים מסורתיים כוללים ליבת פלדת סיליקון, שזורים נחושת או אלומיניום, ומערכות מבודדות/מקררות (שמן מינרלי או יבש). הם פועלים בתדרים קבועים (50/60 Hz או 16⅔ Hz), עם יחסי התמרה של מתח קבועים, יכולות העברה של כוח, ומאפיינים תדריים.

יתרונות של טרנספורטרים קונבנציונליים:

• מחיר נמוך

• אמינות גבוהה (יעילות >99%)

• יכולת הגבלת זרם קצר חשמלי

חסרונות כוללים:

• גודל גדול ומשקל כבד

• רגישות להרמוניות ולהטייה DC

• אין הגנה על עומס יתר

• סיכונים של שריפה וסביבתיים

1.2 הגדרה ומוצא של טרנספורטרים סטטיים מוצקים

טרנספורטר סטטי מוצק (SST) הוא אלטרנטיבה לטרנספורטרים קונבנציונליים המבוססת על טכנולוגיית אלקטרוניקה כוח, עם מקורות המגיעים לרעיון "טרנספורטר אלקטרוני" של מקמארי משנת 1968. SST מתבצעים באמצעות שלב מבודד בתדר בינוני (MF), תוך שהם מספקים גם פונקציות בקרה אינטליגנטיות רבות.

מבנה בסיסי של SST כולל:

• ממשק מתח בינוני (MV)

• שלב מבודד בתדר בינוני (MF)

• קישורים לתקשורת ובקרה

2. אתגרים בעיצוב SSTs

2.1 אתגר: 다루기 중간 전압 (MV)

רמת מתח בינוני (לדוגמה, 10 kV) היא הרבה מעל למגבלות המתח של התקנים מוליכים למחצה קיימים (IGBTs של Si עד 6.5 kV, MOSFETs של SiC ~10–15 kV). לכן, יש לאמץ גישה של תא רב-תאים (מודולרית) או תא בודד (מכשיר מתח גבוה).

יתרונות של פתרונות רב-תאים:

• עיצוב מודולרי וגמיש

• גלים יצוא מרובים, מצמצמים את דרישות המסנן

• תמיכה בהחלפת חם ועמידות באגים

יתרונות של פתרונות תא בודד:

• מבנה פשוט יותר

• מתאים למערכות שלוש פאזה

2.2 אתגר: בחירת טופולוגיה

טופולוגיות SST יכולות להיות מסווגות כ:

• ממשק חזיתי מבודד (IFE): מבודד לפני מלבין

• ממשק אחורי מבודד (IBE): מלבין לפני מבודד

• טיפוס מחבר מטריצי: המרה ישירה AC-AC

• ממיר רב-מפלסי מודולרי (M2LC)

2.3 אתגר: אמינות

טרנספורטרים קונבנציונליים הם מאוד אמינים, בעוד SST מכילים מספר רב של מוליכים למחצה, מעגלי בקרה ומערכות קירור, מה שהופך את האמינות לנושא קריטי. המאמר מציג דיאגרמות בלוק אמינות (RBD) ומודלים של שיעור כשל (λ ב-FIT), המראים כי ריבוי יכול לשפר משמעותית את אמינות המערכת.

2.4 אתגר: ממירים מבודדים בתדר בינוני

טופולוגיות נפוצות כוללות:

• גשר פעיל כפול (DAB): soátת הזרם מבוקרת באמצעות הזזה של פאזה, מאפשרת החלפת רכה

• ממיר תהודה סדרתי ברציפות חצי-מחזורית (HC-DCM SRC): מוביל ל-ZCS/ZVS, מפגין מאפיינים של "טרנספורטר DC"

2.5 אתגר: עיצוב טרנספורטר בתדר בינוני

טרנספורטרים בתדר בינוני פועלים בתדרים של kHz, ופוגשים אתגרים כגון:

• נפח ליבת מגנטית קטן יותר

• סכסוך בין מבודדות לניהול חום

• התפלגות לא אחידה של הזרם במוטות ליץ'

2.6 אתגר: מתאם מבודד

יחידות מתח בינוני דורשות מבודד גבוה לקרקע, וצריך לשקול:

• לחץ חשמלי משולב של 50 Hz ומתח בינוני

• הפסדי דילקטרי וסיכון של חימום מקומי

2.7 אתגר: הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI)

זרמים משותפים שנוצרים במהלך החלפת MV יכולים לזרום לקרקע דרך קיבולת פרזיטית וצריכים לדכא באמצעות צ'וקים משותפים.

2.8 אתגר: הגנה

SST צריכים להתמודד עם מתח עודף, זרם עודף, פגיעות ברק ומעגלים קצרים. מדבקים ומדחסים מסורתיים עדיין רלוונטיים אך צריכים להתמזג עם אסטרטגיות הגבלה אלקטרונית ואבסורציה של אנרגיה.

2.9 אתגר: בקרה

מערכות בקרה של SST הן מורכבות ודורשות מבנה היררכי:

• בקרה חיצונית: אינטרקציה עם הרשת, פיזור כוח

• בקרה פנימית: רגולציה של מתח/זרם, ניהול ריבוי

• בקרה ברמה של יחידה: מודולציה והגנה

2.10 אתגר: בניית ממירים מודולריים

בניית מערכות MV מודולריות מעשיות כוללת:

• עיצוב מבודד

• מערכות קירור

• תקשורת וכוח עזר

• מבנה מכני ותמיכה בהחלפת חם

2.11 אתגר: בדיקת ממירים MV

משתלבים לבדיקת MV הם מורכבים ודורשים:

• מקורות/ Yükler high-voltage, high-power

• ציוד מדידה בעלת דיוק גבוה (לדוגמה, probeler yüksek gerilim farkı)

• אסטרטגיות בדיקה עזר (לדוגמה, בדיקה back-to-back)

3. יישומיות ושימושים של SSTs

3.1 יישומים ברשת

SSTs יכולים לשמש ברשתות לחשמל עבור:

• רגולציה של מתח ופיצוי של כוח реактивный

• פילטרינג הרמוניות ושיפור איכות החשמל

• שילוב ממשק DC (לדוגמה, אחסון אנרגיה, פוטו-וולטאי)

עם זאת, בהשוואה לטרנספורטרים קונבנציונליים בתדר קו (LFTs), SSTs מתמודדים עם אתגר "יעילות":

• יעילות LFT יכולה להגיע ל-98.7%

• SST בדרך כלל משיגים רק כ-96.3% בשל המרת שלבים מרובים

• הקטנת הגודל והמשקל באופן מוגבל (~2.6 m³ לעומת 3.4 m³)

• עלות גבוהה באופן משמעותי (>52.7k דולר לעומת 11.3k דולר)

3.2 יישומים בטרקציה

מערכות טרקציה (לדוגמה, מנועי רכב חשמלי) דורשות דרישות קפדניות לגודל, משקל ויעילות, שבהן SST מציגים יתרונות ברורים:

• הקטנת משמעותית בגודל הטרנספורטר באמצעות תדרי פעולה גבוהים יותר (לדוגמה, 20 kHz)

• אופטימיזציה כפולה של יעילות והקטנת הנפח

3.3 יישומים DC-DC

במערכות DC (לדוגמה, איסוף אנרגיה רוחית ימית, מרכזי נתונים), SST הם הפתרון היחיד למבודד, שכן תדר ההפעלה שלהם יכול לבחור חופשי ללא הגבלות תדר הרשת.

4. מושגים עתידיים ומסקנות

4.1 סצנאריוים עתידיים ליישום

• מערכות עיבוד נפט וגז תת-ים

• טורבינות רוח אוויריות

• מטוסים חשמליים מלאים

• מערכות DC בינוני (MVDC) ימיות