¿Por qué es difícil aumentar el nivel de voltaje?

El transformador de estado sólido (SST), también conocido como transformador electrónico de potencia (PET), utiliza el nivel de voltaje como un indicador clave de su madurez tecnológica y escenarios de aplicación. Actualmente, los SST han alcanzado niveles de voltaje de 10 kV y 35 kV en el lado de distribución de media tensión, mientras que en el lado de transmisión de alta tensión, aún se encuentran en la etapa de investigación de laboratorio y validación de prototipos. La tabla a continuación ilustra claramente el estado actual de los niveles de voltaje en diferentes escenarios de aplicación:

1. ¿Por qué es difícil aumentar el nivel de voltaje?
El nivel de voltaje de un transformador de estado sólido (SST) no puede simplemente incrementarse apilando componentes; está limitado por una serie de desafíos técnicos fundamentales:

1.1 Limitación de soporte de voltaje de dispositivos semiconductores de potencia

• Este es el cuello de botella central. Actualmente, los SSTs principales utilizan IGBTs basados en silicio o MOSFETs de carburo de silicio (SiC) más avanzados.

• La clasificación de voltaje de un solo dispositivo SiC es típicamente alrededor de 10 kV a 15 kV. Para manejar voltajes de sistema más altos (por ejemplo, 35 kV), se deben conectar en serie múltiples dispositivos. Sin embargo, la conexión en serie introduce problemas complejos de "equilibrio de voltaje", donde incluso las menores diferencias entre dispositivos pueden llevar a un desequilibrio de voltaje y resultar en fallos de módulo.

1.2 Desafíos en la tecnología de aislamiento de transformadores de alta frecuencia

La ventaja principal de los SSTs radica en la reducción de tamaño a través de la operación de alta frecuencia. Sin embargo, bajo altas frecuencias, el rendimiento de los materiales aislantes y la distribución del campo eléctrico se vuelven extremadamente complejos. Cuanto mayor sea el nivel de voltaje, más estrictos serán los requisitos para el diseño de aislamiento, los procesos de fabricación y la gestión térmica del transformador de alta frecuencia. Lograr un aislamiento de alta frecuencia de decenas de kV en un espacio limitado representa un desafío significativo en materiales y diseño.

1.3 Complejidad de la topología del sistema y el control

Para manejar altos voltajes, los SSTs generalmente adoptan topologías modulares en cascada (por ejemplo, MMC—Convertidor Modular Multinivel). Cuanto mayor sea el nivel de voltaje, mayor será el número de submódulos requeridos, lo que lleva a una estructura de sistema extremadamente compleja. La dificultad de control aumenta exponencialmente, y tanto el costo como la tasa de falla también aumentan en consecuencia.

2. Perspectiva Futura
A pesar de los desafíos significativos, continúan los avances tecnológicos:

• Avance de dispositivos: Se están desarrollando dispositivos SiC y de nitrato de galio (GaN) con clasificaciones de voltaje más altas, lo cual representa la base para lograr SSTs de mayor voltaje.

• Innovación en topología: Nuevas topologías de circuito, como enfoques híbridos (combinando transformadores convencionales con convertidores electrónicos de potencia), se consideran una vía viable para avances rápidos en aplicaciones de alta tensión.

• Estandarización: A medida que organizaciones como IEE-Business comienzan a establecer estándares relacionados con SST, esto promoverá diseños y pruebas estandarizados, acelerando la madurez tecnológica.

3. Conclusión
Actualmente, los SST de 10 kV han entrado en aplicación comercial, y el nivel de 35 kV representa el nivel más alto alcanzado en proyectos de demostración, mientras que los niveles de voltaje de 110 kV y superiores permanecen en el ámbito de la investigación técnica prospectiva. El avance en los niveles de voltaje de los transformadores de estado sólido es un proceso gradual que depende del progreso coordinado en semiconductores de potencia, ciencia de materiales, teoría de control y tecnologías de gestión térmica.