Apa itu Transformer Padat? 2025Tech Struktur & Prinsip Diuraikan

1. Apa itu Transformer Padat (SST)?

1.1 Dasar-dasar dan Keterbatasan Transformer Konvensional

Artikel ini pertama-tama meninjau sejarah (misalnya, paten Stanley tahun 1886) dan prinsip dasar transformer konvensional. Berdasarkan induksi elektromagnetik, transformer tradisional terdiri dari inti baja silikon, lilitan tembaga atau aluminium, dan sistem isolasi/pendinginan (minyak mineral atau tipe kering). Mereka beroperasi pada frekuensi tetap (50/60 Hz atau 16⅔ Hz), dengan rasio transformasi tegangan tetap, kemampuan transfer daya, dan karakteristik frekuensi.

Keunggulan transformer konvensional:

• Biaya rendah

• Tingkat keandalan tinggi (efisiensi >99%)

• Kemampuan membatasi arus hubungan pendek

Kekurangan termasuk:

• Ukuran besar dan berat

• Sensitif terhadap harmonisa dan bias DC

• Tidak ada perlindungan beban berlebih

• Risiko kebakaran dan lingkungan

1.2 Definisi dan Asal-usul Transformer Padat (SST)

Transformer Padat (SST) adalah alternatif untuk transformer konvensional yang didasarkan pada teknologi elektronika daya, dengan asal-usul yang dapat ditelusuri kembali ke konsep "transformer elektronik" oleh McMurray pada tahun 1968. SST mencapai transformasi tegangan dan isolasi galvanik melalui tahap isolasi Frekuensi Menengah (MF), sambil juga menyediakan berbagai fungsi kontrol cerdas.

Struktur dasar SST meliputi:

• Antarmuka Tegangan Menengah (MV)

• Tahap Isolasi Frekuensi Menengah (MF)

• Tautan komunikasi dan kontrol

2. Tantangan Desain SST

2.1 Tantangan: Penanganan Tegangan Menengah (MV)

Tegangan menengah (misalnya, 10 kV) jauh melebihi peringkat tegangan perangkat semikonduktor yang ada (Si IGBT hingga 6.5 kV, SiC MOSFET ~10–15 kV). Oleh karena itu, harus diadopsi pendekatan multi-sel (modular) atau single-sel (perangkat tegangan tinggi).

Keunggulan solusi multi-sel:

• Desain modular dan redundan

• Gelombang output multi-level, mengurangi kebutuhan filter

• Dukungan untuk hot-swapping dan toleransi kesalahan

Keunggulan solusi single-sel:

• Struktur lebih sederhana

• Cocok untuk sistem tiga fasa

2.2 Tantangan: Pemilihan Topologi

Topologi SST dapat dikategorikan sebagai:

• Front-End Terisolasi (IFE): Isolasi sebelum rektifikasi

• Back-End Terisolasi (IBE): Rektifikasi sebelum isolasi

• Jenis konverter matriks: Konversi AC-AC langsung

• Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 Tantangan: Keandalan

Transformer konvensional sangat andal, sedangkan SST mengintegrasikan banyak semikonduktor, rangkaian kontrol, dan sistem pendingin, sehingga keandalan menjadi masalah kritis. Makalah ini memperkenalkan Diagram Blok Keandalan (RBD) dan model laju kegagalan (λ dalam FIT), menunjukkan bahwa redundansi dapat secara signifikan meningkatkan keandalan sistem.

2.4 Tantangan: Konverter Daya Terisolasi Frekuensi Menengah

Topologi umum meliputi:

• Dual Active Bridge (DAB): Aliran daya dikontrol melalui pergeseran fase, memungkinkan switching lembut

• Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Mencapai ZCS/ZVS, menunjukkan karakteristik "transformer DC"

2.5 Tantangan: Desain Transformer Frekuensi Menengah

Transformer frekuensi menengah beroperasi pada frekuensi level kHz, menghadapi tantangan seperti:

• Volume inti magnetik lebih kecil

• Konflik antara isolasi dan manajemen termal

• Distribusi arus tidak merata dalam kawat Litz

2.6 Tantangan: Koordinasi Isolasi

Unit tegangan menengah memerlukan isolasi tinggi ke tanah, sehingga perlu mempertimbangkan:

• Stres medan listrik kombinasi 50 Hz dan frekuensi menengah

• Kehilangan dielektrik dan risiko pemanasan lokal

2.7 Tantangan: Gangguan Elektromagnetik (EMI)

Arus mode umum yang dihasilkan selama beralih MV dapat mengalir ke tanah melalui kapasitansi parasit dan harus ditekan menggunakan choke mode umum.

2.8 Tantangan: Perlindungan

SST harus menangani tegangan berlebih, arus berlebih, sambaran petir, dan hubungan pendek. Fuses dan penyerap lonjakan tradisional masih berlaku tetapi harus dikombinasikan dengan strategi pembatasan arus elektronik dan penyerapan energi.

2.9 Tantangan: Kontrol

Sistem kontrol SST kompleks dan memerlukan struktur hierarkis:

• Kontrol eksternal: Interaksi grid, pengaturan daya

• Kontrol internal: Regulasi tegangan/arus, manajemen redundansi

• Kontrol tingkat unit: Modulasi dan perlindungan

2.10 Tantangan: Pembangunan Konverter Modular

Membangun sistem modular MV praktis melibatkan:

• Desain isolasi

• Sistem pendingin

• Komunikasi dan daya bantu

• Struktur mekanis dan dukungan hot-swappable

2.11 Tantangan: Pengujian Konverter MV

Fasilitas pengujian MV kompleks dan memerlukan:

• Sumber/beban tegangan tinggi, daya tinggi

• Peralatan pengukuran presisi tinggi (misalnya, probe diferensial tegangan tinggi)

• Strategi cadangan pengujian (misalnya, pengujian back-to-back)

3. Aplikabilitas dan Kasus Penggunaan SST

3.1 Aplikasi Jaringan

SST dapat digunakan dalam jaringan listrik untuk:

• Regulasi tegangan dan kompensasi daya reaktif

• Filter harmonisa dan peningkatan kualitas daya

• Integrasi antarmuka DC (misalnya, penyimpanan energi, fotovoltaik)

Namun, dibandingkan dengan Line Frequency Transformers (LFT) konvensional, SST menghadapi "tantangan efisiensi":

• Efisiensi LFT dapat mencapai 98,7%

• SST biasanya hanya mencapai ~96,3% karena konversi multi-tahap

• Reduksi ukuran dan berat terbatas (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)

• Biaya jauh lebih tinggi (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Aplikasi Traction

Sistem traksi (misalnya, lokomotif listrik) memiliki persyaratan ketat untuk ukuran, berat, dan efisiensi, di mana SST menawarkan keunggulan yang jelas:

• Penurunan ukuran transformer yang signifikan melalui frekuensi operasi yang lebih tinggi (misalnya, 20 kHz)

• Optimasi ganda efisiensi dan pengurangan volume

3.3 Aplikasi DC-DC

Dalam sistem DC (misalnya, pengumpulan tenaga angin lepas pantai, pusat data), SST adalah satu-satunya solusi isolasi yang layak, karena frekuensi operasinya dapat dipilih bebas tanpa dibatasi oleh frekuensi jaringan.

4. Konsep Masa Depan dan Kesimpulan

4.1 Skenario Aplikasi Masa Depan

• Sistem pemrosesan minyak dan gas subsea

• Turbine angin udara

• Pesawat all-electric

• Sistem DC tegangan menengah (MVDC) angkatan laut