Kaj je tranzistor z trdnim stanjem? 2025Tech, Struktura in načela razložena

1. Kaj je tranzistor z trdnim stanjem (SST)?

1.1 Osnove in omejitve konvencionalnih transformatorjev

Članek najprej pregleda zgodovino (npr. Stanleyev patent iz leta 1886) in osnovne načela konvencionalnih transformatorjev. Na podlagi elektromagnetske indukcije se tradicionalni transformatorji sestavljajo iz jedra iz silikata železa, ovitkov iz bakra ali aluminija ter izolacijskih/ohlajevalskih sistemov (mineralno olje ali suho tip). Delujejo na fiksne frekvence (50/60 Hz ali 16⅔ Hz), z fiksno razmerjem pretvorbe napetosti, sposobnostmi prenosa moči in frekvenčnimi karakteristikami.

Prednosti konvencionalnih transformatorjev:

• Nizka cena

• Visoka zaupanja vrednost (učinkovitost >99%)

• Zmožnost omejevanja strmnega tokovnega toka

Slabosti vključujejo:

• Velika velikost in teža

• Občutljivost na harmonike in DC odmik

• Brez zaščite pred pretokom

• Požarna in okoljska tveganja

1.2 Definicija in izvor tranzistorjev z trdnim stanjem

Tranzistor z trdnim stanjem (SST) je alternativa konvencionalnim transformatorjem, temeljena na tehnologiji električne moči, s koreni, ki segajo nazaj do McMurrayevega koncepta "elektronskega transformatorja" iz leta 1968. SST dosežejo pretvorbo napetosti in galvansko ločenost skozi fazi srednje frekvence (MF) izolacije, hkrati pa zagotavljajo več inteligentnih funkcij nadzora.

Osnovna struktura SST vključuje:

• Vmesnik srednje napetosti (MV)

• Faza srednje frekvence (MF) izolacije

• Komunikacijske in nadzorne povezave

2. Izazovi pri oblikovanju SST-jev

2.1 Izazov: Obdelava srednje napetosti (MV)

Raven srednje napetosti (npr. 10 kV) presega napetostne ocene obstoječih polprevodniških naprav (Si IGBT do 6,5 kV, SiC MOSFET ~10–15 kV). Zato mora biti uporabljen pristop z več celicami (modularni) ali eno celico (naprava visoke napetosti).

Prednosti rešitev z več celicami:

• Modularni in redundantni dizajn

• Viškorazredni izhodni valovi, ki zmanjšujejo zahteve po filtrovanju

• Podpora za hitro zamenjavo in odpornost na napake

Prednosti rešitev z eno celico:

• Enostavnejša struktura

• Ustrezen za tri-fazne sisteme

2.2 Izazov: Izbor topologije

Topologije SST-jev lahko razvrstimo kot:

• Izolirana vhodna stran (IFE): Izolacija pred pravokotno pretvorbo

• Izolirana izhodna stran (IBE): Pravokotna pretvorba pred izolacijo

• Tip matričnega pretvornika: Direktna AC-AC pretvorba

• Modularni večrazredni pretvornik (M2LC)

2.3 Izazov: Zanesljivost

Konvencionalni transformatorji so zelo zanesljivi, medtem ko SST-ji vključujejo veliko polprevodniških naprav, nadzornih vezij in ohlajevalskih sistemov, kar zanesljivost čini ključnim skrbem. Članek predstavi diagrame zanesljivosti (RBD) in modele stopnje odpovedi (λ v FIT), ki kažejo, da je ponovnost zelo učinkovita za izboljšanje zanesljivosti sistema.

2.4 Izazov: Pretvorniki srednje frekvence z izolacijo

Znanstveni topologiji vključujejo:

• Dvojni aktivni most (DAB): Kontrola pretoka moči preko faznega zamika, omogoča mehko preklop

• Pol-cikel nezvezni način serije resonantnega pretvornika (HC-DCM SRC): Dosega ZCS/ZVS, prikazuje lastnosti "DC transformatorja"

2.5 Izazov: Oblikovanje transformatorjev srednje frekvence

Transformatorji srednje frekvence delujejo na frekvenci v kHz, srečujeta se z izzivi, kot so:

• Manjša prostornina magnetnega jdra

• Konflikt med izolacijo in termičnim upravljanjem

• Neenakomerna porazdelitev toka v Litzovem vodiču

2.6 Izazov: Koordinacija izolacije

Enote srednje napetosti zahtevajo visoko izolacijo do zemlje, kar zahteva upoštevanje:

• Kombiniranega 50 Hz frekvenčnega in srednje frekvenčnega električnega polja

• Dielektrične izgube in tveganje lokalnega pregreva

2.7 Izazov: Elektromagnetska motnja (EMI)

Skupni tok, ki se generira med preklopi MV, lahko teče do zemlje skozi parazitne kapacitance in ga je potrebno zmanjšati z uporabo skupnih modulov.

2.8 Izazov: Zaščita

SST-ji morajo obvladovati prekomerno napetost, prekomerni tok, udare bleska in kratke zaprtke. Tradicionalni preplinski preklopi in zaščitni elementi ostajajo uporabni, vendar bi morali biti kombinirani z elektronskimi omejevalci toka in strategijami absorpcije energije.

2.9 Izazov: Nadzor

Nadzorne sistemi SST-jev so kompleksni in zahtevajo hierarhično strukturo:

• Zunanji nadzor: Interakcija z omrežjem, posredovanje moči

• Notranji nadzor: Regulacija napetosti in toka, upravljanje redundanc

• Nadzor na ravni enote: Modulacija in zaščita

2.10 Izazov: Gradnja modularnih pretvornikov

Gradnja praktičnih modularnih sistemov srednje napetosti vključuje:

• Izdelava izolacije

• Ohlajevalski sistemi

• Komunikacija in pomočna moč

• Mehanska struktura in podpora za hitro zamenjavo

2.11 Izazov: Testiranje pretvornikov srednje napetosti

Testne postaje za srednjo napetost so kompleksne in zahtevajo:

• Viškonapetostne, viškomocne vire/potrpe

• Merilna oprema visoke natančnosti (npr. diferencialni sonde visoke napetosti)

• Rezervne testne strategije (npr. testiranje povratno)

3. Uporabnost in primeri uporabe SST-jev

3.1 Uporaba v omrežjih

SST-ji se lahko uporabljajo v električnih omrežjih za:

• Regulacijo napetosti in kompenzacijo reaktivne moči

• Filtriranje harmonik in izboljšanje kakovosti moči

• Integracijo DC vmesnikov (npr. shranjevanje energije, fotovoltaika)

Vendar, v primerjavi s konvencionalnimi transformatorji s frekvenco omrežja (LFT), SST-ji soočajo z "izzivom učinkovitosti":

• Učinkovitost LFT-jev lahko doseže 98,7%

• SST-ji tipično dosežejo le ~96,3% zaradi večstopnje pretvorbe

• Omejeno zmanjšanje velikosti in teže (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)

• Značajno višja cena (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Uporaba v trakcijskih sistemih

Trakcijski sistemi (npr. električni lokomotive) imajo stroge zahteve glede velikosti, teže in učinkovitosti, kjer SST-ji ponujajo jasne prednosti:

• Značajno zmanjšana velikost transformatorja z višjimi delovalnimi frekvencami (npr. 20 kHz)

• Dvostranska optimizacija učinkovitosti in zmanjševanje prostornine

3.3 Uporaba v DC-DC sistemih

V DC sistemih (npr. skupno zbiranje energije iz morskih vetrostrojev, podatkovne centre) so SST-ji edina možna rešitev za izolacijo, saj lahko njihova delovalna frekvenca prosto izbiramo, ne da bi jo omejevala frekvenca omrežja.

4. Prihodnji koncepti in zaključek

4.1 Prihodnje uporabne scenariji

• Sistem za obdelavo nafte in plina pod morjem

• Vetroturbine v zraku

• Celotno električni letal

• Pomorski srednje napetostni DC (MVDC) sistemi