Bakit mahirap itaas ang lebel ng volt?

Ang solid-state transformer (SST), na kilala rin bilang power electronic transformer (PET), gumagamit ng antas ng voltaje bilang pangunahing indikador ng kanyang teknikal na katatagan at mga scenario ng aplikasyon. Sa kasalukuyan, ang mga SST ay nakaabot na sa antas ng 10 kV at 35 kV sa gitnang-voltage na distribution side, habang sa mataas na voltage na transmission side, sila ay nananatiling sa yugto ng pagsasaliksik sa laboratoryo at pagpapatunay ng prototipo. Ang talahanayan sa ibaba ay malinaw na nagpapakita ng kasalukuyang kalagayan ng mga antas ng voltaje sa iba't ibang scenario ng aplikasyon:

1. Bakit mahirap itaas ang antas ng voltaje?
Ang antas ng voltaje ng solid-state transformer (SST) ay hindi maaring simpleng itaas sa pamamagitan ng pag-stack ng mga komponente; ito ay limitado ng isang serye ng pundamental na teknikal na hamon:

1.1 Limitasyon sa kakayahan ng power semiconductor devices na tiisin ang voltaje

• Ito ang core bottleneck. Sa kasalukuyan, ang mainstream na SSTs ay gumagamit ng silicon-based IGBTs o higit pang advanced na silicon carbide (SiC) MOSFETs.

• Ang rating ng voltaje ng iisang SiC device ay karaniwang nasa 10 kV hanggang 15 kV. Upang makontrol ng mas mataas na system voltages (hal. 35 kV), kailangan ang mga device na konektado sa serye. Gayunpaman, ang serye ng koneksyon ay nagdudulot ng komplikadong "voltage balancing issues," kung saan kahit na maliit na pagkakaiba sa pagitan ng mga device ay maaaring humantong sa voltage imbalance at resulta sa pagkasira ng module.

1.2 Hamon sa high-frequency transformer insulation technology

Ang core advantage ng SSTs ay nasa pagbawas ng sukat sa pamamagitan ng high-frequency operation. Gayunpaman, sa mataas na frequency, ang performance ng mga insulating materials at electric field distribution ay naging napakakomplikado. Ang mas mataas na antas ng voltaje, mas mahigpit ang mga requirement para sa insulation design, manufacturing processes, at thermal management ng high-frequency transformer. Ang pagkamit ng tens of kV-level na high-frequency insulation sa may limitadong espasyo ay kumakatawan sa significant challenge sa materials at design.

1.3 Komplikadong sistema ng topology at control

Upang makontrol ng mataas na voltages, ang mga SSTs ay karaniwang gumagamit ng cascaded modular topologies (hal. MMC—Modular Multilevel Converter). Ang mas mataas na antas ng voltaje, ang mas maraming sub-modules ang kailangan, na nagresulta sa napakakomplikadong sistema ng estruktura. Ang difficulty ng kontrol ay tumataas ng exponential, at ang cost at failure rate ay tumaas din.

2. Paghahanda sa Kinabukasan
Bago man ang significant challenges, ang mga teknikal na breakthrough ay patuloy:

• Pag-unlad ng device: Ang mas mataas na rated SiC at gallium nitride (GaN) devices ay nasa development at ito ang pundasyon para sa pagkamit ng mas mataas na voltaje ng SSTs.

• Innovasyon sa topology: Ang bagong circuit topologies, tulad ng hybrid approaches (combining conventional transformers with power electronic converters), ay itinuturing na viable path para sa mabilis na breakthrough sa high-voltage applications.

• Standardization: Habang ang mga organisasyon tulad ng IEE-Business ay nagsisimula na mag-establish ng mga standard na may kaugnayan sa SST, ito ay magpapromote ng standardized design at testing, na nagpapabilis ng teknikal na katatagan.

3. Kagunuan
Sa kasalukuyan, ang 10 kV SSTs ay naka-enter na sa komersyal na aplikasyon, at ang 35 kV level ay kinakatawan ang pinakamataas na antas na nakuha sa mga proyekto ng pagpapakita, habang ang antas ng 110 kV at higit pa ay nananatiling sa realm ng forward-looking technical research. Ang pag-unlad ng antas ng voltaje ng solid-state transformer ay isang gradual na proseso na depende sa coordinated progress sa power semiconductors, materials science, control theory, at thermal management technologies.