لماذا يكون من الصعب زيادة مستوى الجهد؟
المحول الصلب (SST)، والمعروف أيضًا باسم المحول الإلكتروني للطاقة (PET)، يستخدم مستوى الجهد كمؤشر رئيسي لنضج تكنولوجيته وسيناريوهات تطبيقه. حاليًا، وصلت المحولات الصلبة إلى مستويات جهد تبلغ 10 كيلوفولت و35 كيلوفولت على الجانب المتوسط للجهد التوزيع، بينما على الجانب العالي للجهد النقل، لا تزال في مرحلة البحث المختبري وتقييم النماذج الأولية. الجدول أدناه يوضح بوضوح الحالة الحالية لمستويات الجهد عبر سيناريوهات التطبيق المختلفة:
| سيناريو التطبيق | مستوى الجهد | الحالة التقنية | ملاحظات وحالات |
| مركز البيانات / المبنى | 10 كيلوفولت | تطبيق تجاري | هناك العديد من المنتجات الناضجة. على سبيل المثال، قدمت CGIC محولًا صلبًا بجهد 10 كيلوفولت/2.4 ميجاواط لمركز بيانات "الشرق الرقمي والغرب الحسابي" في غويان. |
| شبكة التوزيع / مشروع تجريبي على مستوى الحديقة | 10 كيلوفولت - 35 كيلوفولت | مشروع تجريبي | أطلقت بعض الشركات الرائدة نماذج أولية بجهد 35 كيلوفولت وأجرت تجارب توصيل بالشبكة، وهو أعلى مستوى جهد معروف حتى الآن للتطبيق الهندسي. |
| جانب النقل في النظام الكهربائي | > 110 كيلوفولت | نموذج أولي مبدئي للمختبر | طورت الجامعات ومعاهد الأبحاث (مثل جامعة تسينغهوا، معهد البحث العالمي للإنترنت الطاقي) نماذج أولية بمستويات جهد تبلغ 110 كيلوفولت وأعلى، ولكن لم يتم العثور على أي مشاريع تجارية حتى الآن. |
1. لماذا من الصعب زيادة مستوى الجهد؟
لا يمكن زيادة مستوى الجهد للمحول الصلب (SST) ببساطة عن طريق تراص المكونات؛ فهو مقيد بسلسلة من التحديات التقنية الأساسية:
1.1 تحديد تحمل الجهد للأجهزة شبه الموصلة للطاقة
هذا هو العقبة الرئيسية. حاليًا، تستخدم المحولات الصلبة الرئيسية أجهزة IGBT القائمة على السيليكون أو أجهزة MOSFET الأكثر تقدمًا القائمة على الكربون السيليكون (SiC).
يبلغ تصنيف الجهد لأداة SiC واحدة عادة حوالي 10 كيلوفولت إلى 15 كيلوفولت. لمعالجة جهود النظام الأعلى (مثل 35 كيلوفولت)، يجب توصيل عدة أجهزة متسلسلًا. ومع ذلك، يؤدي التوصيل المتسلسل إلى مشكلات معقدة في "توازن الجهد"، حيث يمكن أن يؤدي حتى الفروق الطفيفة بين الأجهزة إلى عدم توازن الجهد مما يؤدي إلى فشل الوحدة.
1.2 التحديات في تقنية عزل المحول عالي التردد
يتمثل الميزة الأساسية للمحولات الصلبة في تقليل الحجم من خلال التشغيل عالي التردد. ومع ذلك، تحت الترددات العالية، تصبح أداء مواد العزل وتوزيع المجال الكهربائي معقدة للغاية. كلما ارتفع مستوى الجهد، زادت صرامة متطلبات تصميم العزل والعمليات التصنيعية وإدارة الحرارة للمحول عالي التردد. تحقيق عزل عالي التردد بمعدّل عشرات الكيلوفولت في مساحة محدودة يمثل تحديًا كبيرًا في المواد والتصميم.
1.3 تعقيد طوبولوجيا النظام والتحكم
للتغلب على الجهود العالية، تعتمد المحولات الصلبة عادةً على طوبولوجيات وحدات متسلسلة (مثل MMC—محول متعدد المستويات الوحدات). كلما ارتفع مستوى الجهد، زاد عدد الوحدات الفرعية المطلوبة، مما يؤدي إلى بنية نظام معقدة للغاية. تزداد صعوبة التحكم بشكل أساسي، وتزداد التكلفة ومعدل الفشل بالتوازي.
2. نظرة مستقبلية
رغم التحديات الكبيرة، فإن الاختراقات التقنية مستمرة:
تقدم الأجهزة: تُطور أجهزة SiC وGaN ذات تصنيف جهد أعلى وهي تمثل الأساس لتحقيق محولات SST ذات جهد أعلى.
ابتكارات الطوبولوجيا: تعتبر الطوبولوجيات الدوائر الجديدة، مثل الأساليب الهجينة (المجمع بين المحولات التقليدية والممحولات الإلكترونية للطاقة)، مسارًا ممكنًا للاختراقات السريعة في التطبيقات عالية الجهد.
التوحيد: مع بدء المنظمات مثل IEEE في وضع معايير متعلقة بالمحولات الصلبة، سيؤدي ذلك إلى تعزيز التصميم والاختبار الموحد، مما يسرع النضج التقني.
3. الخاتمة
حاليًا، دخلت المحولات SST بجهد 10 كيلوفولت في التطبيق التجاري، ويُعتبر مستوى 35 كيلوفولت أعلى مستوى تم تحقيقه في المشاريع التجريبية، بينما تظل مستويات الجهد 110 كيلوفولت وما فوق في مجال الأبحاث التقنية المستقبلية. تطور مستويات جهد المحولات الصلبة عملية تدريجية تعتمد على التقدم التنسيقي في أشباه الموصلات للطاقة، وعلوم المواد، ونظرية التحكم، وتكنولوجيا إدارة الحرارة.
