อะไรคือ Solid-State Transformer? 2025Tech, อธิบายโครงสร้างและหลักการ

1. อะไรคือ Solid-State Transformer (SST)?

1.1 หลักการพื้นฐานและข้อจำกัดของหม้อแปลงแบบดั้งเดิม

บทความเริ่มต้นด้วยการทบทวนประวัติศาสตร์ (เช่น สิทธิบัตรของ Stanley ในปี 1886) และหลักการพื้นฐานของหม้อแปลงแบบดั้งเดิม ตามหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า หม้อแปลงแบบดั้งเดิมประกอบด้วยแกนเหล็กซิลิกอน ขดลวดทองแดงหรืออลูมิเนียม และระบบฉนวน/ระบบทำความเย็น (น้ำมันแร่หรือแบบแห้ง) ทำงานที่ความถี่คงที่ (50/60 Hz หรือ 16⅔ Hz) พร้อมอัตราส่วนการแปลงแรงดัน การโอนกำลัง และคุณสมบัติความถี่ที่คงที่

ข้อดีของหม้อแปลงแบบดั้งเดิม:

• ราคาถูก

• ความน่าเชื่อถือสูง (ประสิทธิภาพ >99%)

• ความสามารถในการจำกัดกระแสเกิน

ข้อเสียรวมถึง:

• ขนาดใหญ่และหนัก

• ไวต่อฮาร์โมนิกและไบแอส DC

• ไม่มีการป้องกันการโหลดเกิน

• ความเสี่ยงจากไฟไหม้และสิ่งแวดล้อม

1.2 คำนิยามและต้นกำเนิดของ Solid-State Transformers

Solid-State Transformer (SST) เป็นทางเลือกสำหรับหม้อแปลงแบบดั้งเดิมโดยใช้เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง มีต้นกำเนิดมาจากแนวคิด "electronic transformer" ของ McMurray ในปี 1968 SST สามารถทำให้แรงดันเปลี่ยนแปลงและแยกทางกาลวานิกผ่านขั้นตอนการแยกความถี่กลาง (MF) นอกจากนี้ยังให้ฟังก์ชันควบคุมอัจฉริยะหลายอย่าง

โครงสร้างพื้นฐานของ SST ประกอบด้วย:

• อินเทอร์เฟซแรงดันกลาง (MV)

• ขั้นตอนการแยกความถี่กลาง (MF)

• ลิงค์การสื่อสารและการควบคุม

2. ความท้าทายในการออกแบบ SSTs

2.1 ความท้าทาย: การจัดการแรงดันกลาง (MV)

ระดับแรงดันกลาง (เช่น 10 kV) สูงกว่าอัตราแรงดันของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ (Si IGBTs ถึง 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV) ดังนั้นต้องใช้วิธีการหลายเซลล์ (โมดูลาร์) หรือวิธีการเซลล์เดียว (อุปกรณ์แรงดันสูง)

ข้อดีของวิธีการหลายเซลล์:

• การออกแบบโมดูลาร์และสำรอง

• คลื่นสัญญาณหลายระดับ ลดความต้องการของฟิลเตอร์

• สนับสนุนการสลับและทนทานต่อข้อผิดพลาด

ข้อดีของวิธีการเซลล์เดียว:

• โครงสร้างที่ง่าย

• เหมาะสมสำหรับระบบสามเฟส

2.2 ความท้าทาย: การเลือกโทโพโลยี

โทโพโลยีของ SST สามารถแบ่งออกเป็น:

• Isolated Front-End (IFE): การแยกก่อนการปรับกระแสตรง

• Isolated Back-End (IBE): การปรับกระแสตรงก่อนการแยก

• Matrix converter type: การแปลงกระแสตรง-ตรงโดยตรง

• Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 ความท้าทาย: ความน่าเชื่อถือ

หม้อแปลงแบบดั้งเดิมมีความน่าเชื่อถือมาก ในขณะที่ SST ประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก วงจรควบคุม และระบบทำความเย็น ทำให้ความน่าเชื่อถือเป็นประเด็นสำคัญ บทความแนะนำ Reliability Block Diagrams (RBD) และแบบจำลองอัตราการล้มเหลว (λ ใน FIT) แสดงว่าการสำรองสามารถเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบได้อย่างมาก

2.4 ความท้าทาย: คอนเวอร์เตอร์พลังงานที่แยกทางกาลวานิกในความถี่กลาง

โทโพโลยีทั่วไปรวมถึง:

• Dual Active Bridge (DAB): ควบคุมการไหลของพลังงานผ่านการเลื่อนเฟส ทำให้สามารถสวิตช์อ่อน

• Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): บรรลุ ZCS/ZVS แสดงคุณสมบัติ "DC transformer"

2.5 ความท้าทาย: การออกแบบหม้อแปลงความถี่กลาง

หม้อแปลงความถี่กลางทำงานที่ความถี่ระดับ kHz ต้องเผชิญกับความท้าทายเช่น:

• ปริมาณแกนแม่เหล็กที่เล็กลง

• ความขัดแย้งระหว่างการฉนวนและระบบทำความเย็น

• การกระจายกระแสที่ไม่สม่ำเสมอในสาย Litz

2.6 ความท้าทาย: การประสานงานการแยกทางกาลวานิก

หน่วยแรงดันกลางต้องการฉนวนที่สูงต่อพื้น ต้องพิจารณา:

• ความเครียดไฟฟ้าจากความถี่ 50 Hz และความถี่กลาง

• การสูญเสียดายไฟฟ้าและความเสี่ยงจากการร้อนเกินที่เฉพาะเจาะจง

2.7 ความท้าทาย: การรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

กระแสโหมดร่วมที่สร้างขึ้นระหว่างการสวิตช์แรงดันกลางสามารถไหลลงสู่พื้นผ่านความจุพาราไซติกและต้องถูกปราบด้วย choke โหมดร่วม

2.8 ความท้าทาย: การป้องกัน

SST ต้องจัดการกับแรงดันเกิน กระแสเกิน การถูกฟ้าผ่า และวงจรลัดวงจร ฟิวส์และอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินแบบดั้งเดิมยังคงใช้ได้ แต่ควรผสมผสานกับกลยุทธ์การจำกัดกระแสและดูดซับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์

2.9 ความท้าทาย: การควบคุม

ระบบควบคุม SST ซับซ้อนและต้องการโครงสร้างลำดับชั้น:

• การควบคุมภายนอก: การสื่อสารกับระบบไฟฟ้า การจัดสรรพลังงาน

• การควบคุมภายใน: การควบคุมแรงดัน/กระแส การจัดการสำรอง

• การควบคุมระดับย่อย: การมอดูเลชันและการป้องกัน

2.10 ความท้าทาย: การสร้างคอนเวอร์เตอร์โมดูลาร์

การสร้างระบบโมดูลาร์แรงดันกลางที่ปฏิบัติงานได้ต้องการ:

• การออกแบบฉนวน

• ระบบทำความเย็น

• การสื่อสารและพลังงานเสริม

• โครงสร้างกลไกและการสนับสนุนการสลับ

2.11 ความท้าทาย: การทดสอบคอนเวอร์เตอร์แรงดันกลาง

สถานที่ทดสอบแรงดันกลางซับซ้อนและต้องการ:

• แหล่งกำเนิด/โหลดแรงดันสูงและกำลังสูง

• อุปกรณ์วัดความแม่นยำสูง (เช่น โพรบความแตกต่างแรงดันสูง)

• กลยุทธ์ทดสอบสำรอง (เช่น การทดสอบแบบ back-to-back)

3. ความเหมาะสมและกรณีการใช้งานของ SSTs

3.1 การใช้งานในระบบไฟฟ้า

SST สามารถใช้ในระบบไฟฟ้าสำหรับ:

• การควบคุมแรงดันและการชดเชยกำลังปฏิกิริยา

• การกรองฮาร์โมนิกและการปรับปรุงคุณภาพพลังงาน

• การรวมอินเทอร์เฟซ DC (เช่น การเก็บพลังงาน พลังงานแสงอาทิตย์)

อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับหม้อแปลงความถี่สาย (LFTs) แบบดั้งเดิม SST ต้องเผชิญกับ "ความท้าทายเรื่องประสิทธิภาพ":

• ประสิทธิภาพ LFT สามารถถึง 98.7%

• SST ทั่วไปสามารถทำได้ประมาณ ~96.3% เนื่องจากการแปลงหลายขั้นตอน

• การลดขนาดและน้ำหนักจำกัด (~2.6 m³ ต่อ 3.4 m³)

• ต้นทุนสูงกว่า (>52.7k USD ต่อ 11.3k USD)

3.2 การใช้งานในระบบลากจูง

ระบบลากจูง (เช่น รถไฟไฟฟ้า) มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับขนาด น้ำหนัก และประสิทธิภาพ โดย SST นำเสนอข้อได้เปรียบอย่างชัดเจน:

• ลดขนาดหม้อแปลงอย่างมากผ่านความถี่การทำงานที่สูงขึ้น (เช่น 20 kHz)

• การปรับปรุงประสิทธิภาพและลดขนาดอย่างคู่ขนาน

3.3 การใช้งานในระบบ DC-DC

ในระบบ DC (เช่น การรวบรวมพลังงานลมนอกชายฝั่ง ศูนย์ข้อมูล) SST เป็นทางเลือกการแยกทางกาลวานิกที่เป็นไปได้เพียงอย่างเดียว เนื่องจากความถี่การทำงานสามารถเลือกได้อย่างอิสระโดยไม่ถูกจำกัดโดยความถี่ของระบบไฟฟ้า

4. แนวคิดอนาคตและการสรุป

4.1 ภาพรวมการใช้งานในอนาคต

• ระบบการผลิตน้ำมันและก๊าซใต้น้ำ

• กังหันลมบนอากาศยาน

• อากาศยานไฟฟ้าทั้งหมด

• ระบบ DC แรงดันกลาง (MVDC) ของเรือ