چرا افزایش سطح ولتاژ دشوار است
ترانسفورماتور جامد (SST) که همچنین به عنوان ترانسفورماتور الکترونیک قدرت (PET) نیز شناخته می‌شود، از سطح ولتاژ به عنوان یکی از شاخص‌های کلیدی برای نشان دادن پیشرفت فناوری و سناریوهای کاربرد خود استفاده می‌کند. در حال حاضر، SSTها در سمت توزیع ولتاژ متوسط به سطوح ۱۰ کیلوولت و ۳۵ کیلوولت رسیده‌اند، در حالی که در سمت انتقال ولتاژ بالا، هنوز در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی و اعتبارسنجی پروتوتیپ هستند. جدول زیر وضعیت فعلی سطوح مختلف ولتاژ را در سناریوهای کاربرد مختلف به صورت واضح نشان می‌دهد:
| سناریوی کاربرد | سطح ولتاژ | وضعیت فنی | یادداشت‌ها و موارد |
| مرکز داده / ساختمان | ۱۰ کیلوولت | کاربرد تجاری | محصولات بسیاری در این زمینه پایدار هستند. به عنوان مثال، CGIC یک SST با ظرفیت ۱۰ کیلوولت/۲.۴ مگاوات برای مرکز داده "شرق دیجیتال و غرب محاسباتی" گویآن ارائه داده است. |
| شبکه توزیع / نمایشگاه سطح پارک | ۱۰ کیلوولت - ۳۵ کیلوولت | پروژه نمایشی | برخی از شرکت‌های رهبر در این زمینه پروتوتیپ‌های ۳۵ کیلوولت را راه‌اندازی کرده و نمایش‌های متصل به شبکه را انجام داده‌اند که بالاترین سطح ولتاژ شناخته شده برای کاربرد مهندسی تاکنون است. |
| سمت انتقال سیستم برق | > ۱۱۰ کیلوولت | پروتوتیپ اصلی آزمایشگاهی | دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی (مانند دانشگاه تسینگهوآ، مؤسسه تحقیقات شبکه انرژی جهانی) پروتوتیپ‌هایی با سطح ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت و حتی بالاتر را توسعه داده‌اند، اما تاکنون پروژه تجاری پیدا نشده است. |
۱. چرا افزایش سطح ولتاژ دشوار است؟
سطح ولتاژ یک ترانسفورماتور جامد (SST) نمی‌تواند با تنها اضافه کردن مولفه‌ها به سادگی افزایش یابد؛ بلکه توسط مجموعه‌ای از چالش‌های فنی بنیادی محدود می‌شود:
۱.۱ محدودیت تحمل ولتاژ دستگاه‌های نیمه‌رسانا قدرت
این موضوع گلوگاه اصلی است. در حال حاضر، SSTهای معمولی از IGBTهای بر پایه سیلیکون یا MOSFETهای پیشرفته‌تر بر پایه کربید سیلیکون (SiC) استفاده می‌کنند.
سطح ولتاژ یک دستگاه SiC معمولاً حدود ۱۰ کیلوولت تا ۱۵ کیلوولت است. برای مدیریت ولتاژ سیستم‌های بالاتر (مثلاً ۳۵ کیلوولت)، چندین دستگاه باید سری به هم وصل شوند. با این حال، اتصال سری مشکلات پیچیده "تعادل ولتاژ" را مطرح می‌کند که حتی اختلافات کوچک بین دستگاه‌ها می‌تواند منجر به عدم تعادل ولتاژ و خرابی ماژول شود.
۱.۲ چالش‌های فناوری عایق‌بندی ترانسفورماتور با فرکانس بالا
مزیت اصلی SSTها در کاهش اندازه از طریق عملکرد با فرکانس بالا است. با این حال، در فرکانس‌های بالا، عملکرد مواد عایق‌بندی و توزیع میدان الکتریکی بسیار پیچیده می‌شود. هرچه سطح ولتاژ بالاتر باشد، الزامات طراحی عایق‌بندی، فرآیندهای تولید و مدیریت حرارتی ترانسفورماتور با فرکانس بالا دقیق‌تر می‌شود. دستیابی به عایق‌بندی با فرکانس بالا در سطح ده‌ها کیلوولت در فضای محدود یک چالش مهم در زمینه مواد و طراحی است.
۱.۳ پیچیدگی توپولوژی سیستم و کنترل
برای مدیریت ولتاژ‌های بالا، SSTها معمولاً از توپولوژی‌های ماژولی متوالی (مثلاً MMC—Modular Multilevel Converter) استفاده می‌کنند. هرچه سطح ولتاژ بالاتر باشد، تعداد ماژول‌های فرعی مورد نیاز بیشتر می‌شود که منجر به ساختار سیستم بسیار پیچیده می‌شود. دشواری کنترل به طور نمایی افزایش می‌یابد و هزینه و نرخ خرابی نیز بالا می‌رود.
۲. چشم‌انداز آینده
با وجود چالش‌های قابل توجه، پیشرفت‌های فنی ادامه دارد:
پیشرفت دستگاه‌ها: دستگاه‌های SiC و نیترید گالیوم (GaN) با سطح ولتاژ بالاتر در حال توسعه هستند و پایه‌ای برای دستیابی به SSTهای با ولتاژ بالاتر هستند.
نوآوری توپولوژی: توپولوژی‌های مداری جدید، مانند رویکردهای هیبرید (ترکیب ترانسفورماتورهای معمولی با تبدیل‌کننده‌های الکترونیک قدرت)، به عنوان مسیر قابل اجرا برای پیشرفت‌های سریع در کاربردهای ولتاژ بالا در نظر گرفته می‌شوند.
استانداردسازی: با شروع سازمان‌هایی مانند IEEE به ایجاد استانداردهای مرتبط با SST، این موضوع طراحی و آزمون استاندارد را ترویج می‌کند و پیشرفت فنی را تسریع می‌بخشد.
۳. نتیجه‌گیری
در حال حاضر، SSTهای ۱۰ کیلوولت وارد کاربرد تجاری شده‌اند و سطح ۳۵ کیلوولت بالاترین سطحی است که در پروژه‌های نمایشی دستیابی شده است، در حالی که سطوح ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت و بالاتر هنوز در زمینه تحقیقات فناوری پیشرو هستند. پیشرفت سطوح ولتاژ ترانسفورماتورهای جامد یک فرآیند تدریجی است که به پیشرفت هماهنگ در نیمه‌رساناهای قدرت، علم مواد، نظریه کنترل و فناوری‌های مدیریت گرمایی بستگی دارد.
