고체 변압기는 무엇인가요 2025Tech 구조 및 원리 설명
1. 솔리드 스테이트 변압기(SST)란 무엇인가?
1.1 전통적인 변압기의 기본 원리와 제한 사항
이 기사는 먼저 (예: 스탠리의 1886년 특허) 전통적인 변압기의 역사와 기본 원칙을 검토합니다. 전자기 유도에 기반하여, 전통적인 변압기는 실리콘 강철 코어, 구리 또는 알루미늄 와인딩, 그리고 절연/냉각 시스템(광물유 또는 건식형)으로 구성됩니다. 그들은 고정된 주파수(50/60 Hz 또는 16⅔ Hz), 고정된 전압 변환 비율, 전력 전송 능력, 그리고 주파수 특성을 가지고 작동합니다.
전통적인 변압기의 장점:
낮은 비용
높은 신뢰성(효율 >99%)
단락 회로 전류 제한 능력
단점에는 다음과 같은 것들이 포함됩니다:
큰 크기와 무거운 무게
하모닉과 DC 바이어스에 민감함
과부하 보호 없음
화재 및 환경 위험
1.2 솔리드 스테이트 변압기의 정의와 기원
솔리드 스테이트 변압기(SST)는 전력 전자 기술을 기반으로 한 전통적인 변압기의 대안이며, 1968년 맥머레이의 "전자 변압기" 개념으로 거슬러 올라갑니다. SST는 중주파(MF) 격리 단계를 통해 전압 변환과 갈바닉 격리를 달성하며, 다양한 지능형 제어 기능을 제공합니다.
SST의 기본 구조는 다음과 같습니다:
중전압(MV) 인터페이스
중주파(MF) 격리 단계
통신 및 제어 링크
2. SST의 설계 도전 과제
2.1 도전: 중전압(MV) 처리
중전압 수준(예: 10 kV)은 기존 반도체 장치(Si IGBTs 최대 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV)의 전압 등급을 크게 초과합니다. 따라서 다중 셀(모듈형) 또는 단일 셀(고전압 장치) 접근 방식을 채택해야 합니다.
다중 셀 솔루션의 장점:
모듈형 및 중복 설계
다중 레벨 출력 파형, 필터 요구 사항 감소
핫 스왑 및 오류 허용 지원
단일 셀 솔루션의 장점:
간단한 구조
세상위 시스템에 적합
2.2 도전: 위상 선택
SST 위상은 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
격리된 프론트 엔드(IFE): 직렬화 전 격리
격리된 백 엔드(IBE): 격리 후 직렬화
매트릭스 변환기 유형: 직접 AC-AC 변환
모듈형 다중 레벨 변환기(M2LC)
2.3 도전: 신뢰성
전통적인 변압기는 매우 신뢰성이 높지만, SST는 많은 반도체, 제어 회로, 냉각 시스템을 포함하기 때문에 신뢰성이 중요한 문제입니다. 이 논문은 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)과 고장률(λ in FIT) 모델을 소개하며, 중복성이 시스템 신뢰성을 크게 개선할 수 있음을 나타냅니다.
2.4 도전: 중주파 격리 전력 변환기
일반적인 위상에는 다음과 같은 것들이 포함됩니다:
듀얼 액티브 브리지(DAB): 위상 이동을 통한 전력 흐름 제어, 소프트 스위칭 가능
하프 사이클 불연속 모드 시리즈 공진 변환기(HC-DCM SRC): ZCS/ZVS 달성, "DC 변압기" 특성 표시
2.5 도전: 중주파 변압기 설계
중주파 변압기는 kHz 수준의 주파수에서 작동하며, 다음과 같은 도전 과제를 마주합니다:
더 작은 자기 코어 부피
절연과 열 관리 간의 충돌
Litz 선에서의 불균등한 전류 분포
2.6 도전: 격리 조정
중전압 장치는 땅에 대한 높은 절연을 필요로 하며, 다음을 고려해야 합니다:
결합된 50 Hz 전력 주파수와 중주파 전기장 스트레스
유전 손실 및 국소 과열 위험
2.7 도전: 전자기 간섭(EMI)
MV 스위칭 동안 생성된 공통 모드 전류는 기생 용량을 통해 땅으로 흐르며, 이를 억제하기 위해 공통 모드 차크를 사용해야 합니다.
2.8 도전: 보호
SST는 과전압, 과전류, 번개, 단락 회로를 처리해야 합니다. 전통적인 퓨즈와 서지 아레스터는 여전히 적용 가능하지만, 전자적 전류 제한 및 에너지 흡수 전략과 함께 사용되어야 합니다.
2.9 도전: 제어
SST 제어 시스템은 복잡하며 계층 구조가 필요합니다:
외부 제어: 그리드 상호작용, 전력 배치
내부 제어: 전압/전류 조절, 중복성 관리
장치 수준 제어: 조정 및 보호
2.10 도전: 모듈형 변환기 구축
실용적인 MV 모듈 시스템을 구축하는 것은 다음과 같습니다:
절연 설계
냉각 시스템
통신 및 보조 전력
기계 구조 및 핫스왑 지원
2.11 도전: MV 변환기 테스트
MV 테스트 시설은 복잡하며 다음과 같은 것을 필요로 합니다:
고전압, 고출력 소스/로드
고정밀 측정 장비(예: 고전압 차동 프로브)
백업 테스트 전략(예: 백투백 테스트)
3. SST의 적용 가능성 및 사용 사례
3.1 그리드 응용
SST는 전력 그리드에서 다음과 같이 사용될 수 있습니다:
전압 조절 및 반응 전력 보상
하모닉 필터링 및 전력 품질 개선
DC 인터페이스 통합(예: 에너지 저장, 태양광)
그러나 전통적인 주파수 변압기(LFTs)와 비교하여 SST는 "효율성 도전"을 마주합니다:
LFT 효율성은 98.7%에 이를 수 있음
SST는 다단계 변환으로 인해 일반적으로 ~96.3%만 달성
크기와 무게의 제한된 감소(~2.6 m³ 대비 3.4 m³)
격연적으로 높은 비용(>52.7k USD 대비 11.3k USD)
3.2 트랙션 응용
트랙션 시스템(예: 전기 기관차)은 크기, 무게, 효율성에 엄격한 요구 사항을 가지고 있으며, 여기서 SST는 명확한 장점을 제공합니다:
더 높은 작동 주파수(예: 20 kHz)를 통해 변압기 크기의大幅减少变压器尺寸（例如：20kHz）。 - 效率和体积的双重优化。 ### 3.3 直流-直流应用 在直流系统中（例如：海上风电收集、数据中心），SST是唯一可行的隔离解决方案，因为其工作频率可以自由选择而不受电网频率的限制。 ## 4. 未来概念与结论 ### 4.1 未来应用场景 - 海底石油和天然气处理系统 - 空中风力涡轮机 - 全电动飞机 - 海军中压直流（MVDC）系统 请根据上述要求翻译成韩语。
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