固体変圧器とは何か 2025Tech 構造と原理の説明
1. 固態トランス（SST）とは何か
1.1 伝統的なトランスの基礎と制限
この記事では、最初に伝統的なトランスの歴史（例えば、スタンリーの1886年の特許）と基本原理をレビューします。電磁誘導に基づいて、伝統的なトランスはシリコン鋼鉄コア、銅またはアルミニウム巻線、そして絶縁/冷却システム（鉱物油またはドライタイプ）で構成されています。それらは固定周波数（50/60 Hzまたは16⅔ Hz）、固定の電圧変換比、電力転送能力、および周波数特性で動作します。
伝統的なトランスの利点：
低コスト
高い信頼性（効率>99%）
短絡電流制限機能
欠点には以下があります：
大規模で重い
高調波とDCバイアスに対して敏感
過負荷保護なし
火災と環境リスク
1.2 固態トランス（SST）の定義と起源
固態トランス（SST）は、パワーエレクトロニクス技術に基づく伝統的なトランスの代替品であり、その起源は1968年にマクマレーが提唱した「電子トランス」の概念までさかのぼります。SSTは中周波（MF）の絶縁段階を通じて電圧変換とガルバニック絶縁を達成し、同時に複数のインテリジェントな制御機能を提供します。
SSTの基本構造には以下のものがあります：
中電圧（MV）インターフェース
中周波（MF）の絶縁段階
通信および制御リンク
2. SSTの設計上の課題
2.1 課題：中電圧（MV）の取り扱い
中電圧レベル（例えば、10 kV）は既存の半導体デバイス（Si IGBTは最大6.5 kV、SiC MOSFETは約10–15 kV）の耐電圧を超えるため、マルチセル（モジュラー）またはシングルセル（高電圧デバイス）のアプローチを採用する必要があります。
マルチセルソリューションの利点：
モジュラーかつ冗長な設計
多段出力波形によりフィルタ要件が減少
ホットスワップと障害対策のサポート
シングルセルソリューションの利点：
シンプルな構造
三相システムに適している
2.2 課題：トポロジー選択
SSTのトポロジーは以下のようになります：
絶縁フロントエンド（IFE）：整流前に絶縁
絶縁バックエンド（IBE）：絶縁前に整流
マトリックスコンバータータイプ：直接AC-AC変換
モジュラーマルチレベルコンバーター（M2LC）
2.3 課題：信頼性
伝統的なトランスは非常に信頼性が高いのに対し、SSTは多数の半導体、制御回路、冷却システムを含むため、信頼性は重要な問題となります。論文では信頼性ブロック図（RBD）と故障率（λ in FIT）モデルを紹介し、冗長性がシステムの信頼性を大幅に向上させることを示しています。
2.4 課題：中周波絶縁型電力コンバーター
一般的なトポロジーには以下のものがあります：
デュアルアクティブブリッジ（DAB）：位相差による電力フロー制御によりソフトスイッチングを実現
ハーフサイクル不連続モードシリーズ共振コンバーター（HC-DCM SRC）：ZCS/ZVSを達成し、「DCトランス」の特性を示す
2.5 課題：中周波トランスの設計
中周波トランスはkHzレベルの周波数で動作し、以下の課題に直面しています：
小さな磁気コア体積
絶縁と熱管理の矛盾
リッツワイヤーでの電流分布の不均一性
2.6 課題：絶縁調整
中電圧ユニットは接地に対する高絶縁が必要であり、以下の考慮事項が必要です：
50 Hzの電力周波数と中周波の電界ストレスの組み合わせ
誘電損失と局所過熱のリスク
2.7 課題：電磁干渉（EMI）
MVスイッチング中に生成される共通モード電流は、パラサイトキャパシタンスを通じて接地に流れます。これを共通モードチョークを使用して抑制する必要があります。
2.8 課題：保護
SSTは過電圧、過電流、落雷、短絡を処理する必要があります。従来のヒューズとサージアレスタは依然として適用可能ですが、電子的な電流制限とエネルギー吸収戦略と組み合わせることが望ましいです。
2.9 課題：制御
SSTの制御システムは複雑であり、階層構造が必要です：
外部制御：グリッドとの相互作用、電力配分
内部制御：電圧/電流制御、冗長性管理
ユニットレベル制御：変調と保護
2.10 課題：モジュラーコンバーターの構築
実用的なMVモジュラーシステムの構築には以下の要素が必要です：
絶縁設計
冷却システム
通信および補助電源
機械構造とホットスワップサポート
2.11 課題：MVコンバーターのテスト
MVテスト施設は複雑であり、以下の要素が必要です：
高電圧、高電力のソース/負荷
高精度測定装置（例えば、高電圧差動プローブ）
バックアップテスト戦略（例えば、バックツーバックテスト）
3. SSTの適用可能性と使用例
3.1 電力網への応用
SSTは電力網において以下の用途で使用できます：
電圧制御と無効電力補償
高調波フィルタリングと電力品質改善
DCインターフェースの統合（例えば、エネルギーストレージ、太陽光発電）
ただし、伝統的な商用周波数トランス（LFTs）と比較して、SSTは「効率の課題」に直面しています：
LFTの効率は98.7%に達することができます
SSTは多段変換により通常~96.3%にしかなりません
サイズと重量の削減は限定的（~2.6 m³ vs. 3.4 m³）
大幅に高いコスト（>52.7k USD vs. 11.3k USD）
3.2 牽引アプリケーション
牽引システム（例えば、電気機関車）はサイズ、重量、効率に関する厳しい要件があり、SSTは明確な利点を提供します：
高い動作周波数（例えば、20 kHz）によりトランスのサイズが大幅に削減
効率と体積削減の両方の最適化
3.3 DC-DCアプリケーション
DCシステム（例えば、海上風力発電集電、データセンター）では、SSTは唯一の有効な絶縁ソリューションであり、その動作周波数は電力網の周波数に制約されずに自由に選択できます。
4. 未来の概念と結論
4.1 未来の応用シナリオ
海底石油・ガス処理システム
空中風力タービン
全電気式航空機
海軍の中電圧DC（MVDC）システム
