Що таке твердотільний перетворювач? 2025Tech, пояснено структура і принципи

Поле: Проектування та обслуговування

Australia

1. Що таке твердотільний перетворювач (SST)?

1.1 Основи та обмеження традиційних перетворювачів

Стаття спочатку оглядає історію (наприклад, патент Стэнлі 1886 року) та основні принципи традиційних перетворювачів. На основі електромагнітної індукції, традиційні перетворювачі складаються з серцевин з силикому, витків з міді або алюмінію, та систем ізоляції/охолодження (мінеральна олія або сухого типу). Вони працюють на фіксованих частотах (50/60 Гц або 16⅔ Гц), з фіксованими коефіцієнтами перетворення напруги, можливостями передавання потужності та характеристиками частот.

Переваги традиційних перетворювачів:

Низька вартість
Висока надійність (ефективність >99%)
Здатність обмежувати струм короткого замикання

Недоліки включають:

Великий розмір та важка вага
Чутливість до гармонік та похилення постійного струму
Відсутність захисту від перегрузок
Ризики пожежі та небезпеки для навколишнього середовища

1.2 Визначення та походження твердотільних перетворювачів

Твердотільний перетворювач (SST) є альтернативою традиційним перетворювачам на основі технології силової електроніки, з походженням, що сягає концепції "електронного перетворювача" МакМюррея 1968 року. SST досягають перетворення напруги та гальванічної ізоляції через етап ізоляції на середніх частотах (MF), одночасно забезпечуючи багато інтелектуальних функцій управління.

Основна структура SST включає:

Інтерфейс середнього напруги (MV)
Етап ізоляції на середніх частотах (MF)
Комунікаційні та керуючі зв'язки

2. Виклики при проектуванні SST

2.1 Виклик: Обробка середнього напругу (MV)

Рівні середнього напругу (наприклад, 10 кВ) значно перевищують напругові характеристики існуючих напівпровідникових пристроїв (Si IGBTs до 6.5 кВ, SiC MOSFETs ~10–15 кВ). Тому повинен бути прийнятий або багатоклітинний (модульний) підхід, або підхід з однією клітиною (високонапіжний пристрій).

Переваги багатоклітинних рішень:

Модульний та надлишковий дизайн
Багаторівневі вихідні форми сигналу, що зменшують вимоги до фільтрації
Підтримка гарячого заміну та стійкості до аварій

Переваги рішень з однією клітиною:

Простіша структура
Придатність для трифазних систем

2.2 Виклик: Вибір топології

Топології SST можна поділити на:

Ізольований передній кінець (IFE): Ізоляція перед прямокутними діодами
Ізольований задній кінець (IBE): Прямокутні діоди перед ізоляцією
Матричний тип перетворювача: Безпосереднє перетворення AC-AC
Модульний багаторівневий перетворювач (M2LC)

2.3 Виклик: Надійність

Традиційні перетворювачі надзвичайно надійні, тоді як SST містять багато напівпровідників, керуючих цепей та систем охолодження, що робить надійність ключовим питанням. У статті представлені блок-схеми надійності (RBD) та моделі частоти відмов (λ у FIT), що показують, що надлишковість може значно покращити надійність системи.

2.4 Виклик: Перетворювачі із середньочастотною ізоляцією

Поширені топології включають:

Подвійний активний міст (DAB): Контроль потоку енергії за допомогою зсуву фаз, що дозволяє м'яке комутування
Півцикловий розривний режим серійного резонансного перетворювача (HC-DCM SRC): Достигає ZCS/ZVS, демонструючи характеристики "DC перетворювача"

2.5 Виклик: Проектування перетворювачів на середніх частотах

Перетворювачі на середніх частотах працюють на частотах кГц, стикаючись з викликами, такими як:

Менший об'єм магнітного сердечника
Суперечність між ізоляцією та термічним управлінням
Нерівномірне розподілення струму в проводі Ліца

2.6 Виклик: Координація ізоляції

Одиниці середнього напругу потребують високої ізоляції до землі, що вимагає врахування:

Поєднання електричного стресу на частоті 50 Гц та середньочастотного електричного поля
Діелектричні втрати та ризик локального перегріву

2.7 Виклик: Електромагнітні завдання (EMI)

Общі струми, що генеруються під час комутації MV, можуть протікати до землі через паразитну ємність і повинні бути підавлені за допомогою общих холів.

2.8 Виклик: Захист

SST повинні обробляти перевищення напруги, перевищення струму, удар молнії та короткі замикання. Традиційні запалювачі та засоби захисту від грозових перехресень залишаються придатними, але повинні поєднуватися з електронними методами обмеження струму та стратегіями поглинання енергії.

2.9 Виклик: Керування

Системи керування SST є складними та потребують ієрархічної структури:

Зовнішнє керування: Взаємодія з мережею, розподіл потужності
Внутрішнє керування: Регулювання напруги/струму, управління надлишковістю
Керування на рівні одиниць: Модуляція та захист

2.10 Виклик: Будівництво модульних перетворювачів

Створення практичних модульних систем MV включає:

Дизайн ізоляції
Системи охолодження
Комунікації та допоміжне живлення
Механічна конструкція та підтримка гарячого заміну

2.11 Виклик: Тестування перетворювачів MV

Тестові установки MV є складними та потребують:

Високовольтажні, високопотужні джерела/навантаження
Високоточне вимірювальне обладнання (наприклад, високовольтажні диференціальні зонди)
Резервні стратегії тестування (наприклад, тестування "спина до спини")

3. Придатність та випадки використання SST

3.1 Застосування в електромережах

SST можна використовувати в електромережах для:

Регулювання напруги та компенсації реактивної потужності
Фільтрації гармонік та поліпшення якості електроенергії
Інтеграції DC-інтерфейсу (наприклад, зберігання енергії, фотоелементи)

Однак, порівняно з традиційними перетворювачами лінійної частоти (LFT), SST стикаються з "викидком ефективності":

Ефективність LFT може досягати 98.7%
SST зазвичай досягають лише ~96.3% через багатоступеневе перетворення
Обмежений зменшення розміру та ваги (~2.6 м³ порівняно з 3.4 м³)
Значно вищий витрати (>52.7k USD порівняно з 11.3k USD)

3.2 Застосування в тягових системах

Тягові системи (наприклад, електровози) мають жорсткі вимоги до розміру, ваги та ефективності, де SST надають очевидні переваги:

Значне зменшення розміру перетворювача завдяки вищим робочим частотам (наприклад, 20 кГц)
Подвійна оптимізація ефективності та зменшення об'єму

3.3 Застосування DC-DC

У DC-системах (наприклад, збирання енергії від офшорних вітрилов, дата-центри) SST є єдиним придатним рішенням для ізоляції, оскільки їхня робоча частота може бути вільно вибрана без обмежень мережевої частоти.