Por que é difícil aumentar o nivel de voltaxe

O transformador de estado sólido (SST), tamén coñecido como transformador electrónico de potencia (PET), utiliza o nivel de tensión como un indicador clave da súa madurez tecnolóxica e dos seus escenarios de aplicación. Actualmente, os SSTs alcanzaron niveis de tensión de 10 kV e 35 kV no lado de distribución de media tensión, mentres que no lado de transmisión de alta tensión, permanecen na etapa de investigación laboratorial e validación de prototipos. A táboa a continuación ilustra claramente o estado actual dos niveis de tensión en diferentes escenarios de aplicación:

1. Por que é difícil aumentar o nivel de tensión?
O nivel de tensión dun transformador de estado sólido (SST) non pode ser simplemente aumentado apilando componentes; está limitado por unha serie de desafíos técnicos fundamentais:

1.1 Limitación de resistencia a tensión dos dispositivos semiconductores de potencia

• Este é o cuello de botella central. Actualmente, os SSTs mainstream utilizan IGBTs baseados en silicio ou MOSFETs de carburo de silicio (SiC) máis avanzados.

• A clasificación de tensión dun único dispositivo SiC é tipicamente de 10 kV a 15 kV. Para manejar maiores tensións do sistema (por exemplo, 35 kV), múltiples dispositivos deben conectarse en serie. No entanto, a conexión en serie introduce problemas complexos de "balanceo de tensión", onde mesmo as diferenzas mínimas entre dispositivos poden levar a un desequilibrio de tensión e resultar en fallos de módulo.

1.2 Desafíos na tecnoloxía de aislamento de transformadores de alta frecuencia

A ventaxe central dos SSTs reside na redución de tamaño a través da operación de alta frecuencia. No entanto, baixas altas frecuencias, o rendemento dos materiais de aislamento e a distribución do campo eléctrico volven extremadamente complexos. Cuanto maior é o nivel de tensión, máis estrictas son as requiremientos de deseño de aislamento, procesos de fabricación e xestión térmica do transformador de alta frecuencia. Lograr un aislamento de alta frecuencia de decenas de kV nun espazo limitado representa un desafío significativo en materiais e deseño.

1.3 Complexidade da topoloxía do sistema e do control

Para manejar altas tensións, os SSTs adoitan adoptar topoloxías modulares en cascada (por exemplo, MMC—Conversor Modular Multinivel). Cuanto maior é o nivel de tensión, maior é o número de sub-módulos requeridos, levando a unha estrutura de sistema extremadamente complexa. A dificultade de control aumenta exponencialmente, e tanto o custo como a taxa de fallo aumentan en consecuencia.

2. Perspectiva Futura
A pesar dos desafíos significativos, continúan os avances tecnolóxicos:

• Avance de dispositivos: Dispositivos SiC e nitrato de galio (GaN) de maior clasificación de tensión están en desenvolvemento e representan a base para lograr SSTs de maior tensión.

• Innovación en topoloxía: Novas topoloxías de circuito, como abordaxes híbridas (combinando transformadores convencionais con conversores electrónicos de potencia), son consideradas unha vía viable para avances rápidos en aplicacións de alta tensión.

• Estandarización: A medida que organizacións como IEE-Business comezan a establecer estándares relacionados con SST, isto promoverá un deseño e proba estandarizados, acelerando a madurez tecnolóxica.

3. Conclusión
Actualmente, os SSTs de 10 kV entraron en aplicación comercial, e o nivel de 35 kV representa o nivel máis alto conseguido en proxectos de demostración, mentres que os niveis de tensión de 110 kV e superiores permanecen no ámbito da investigación técnica prospectiva. O avance nos niveis de tensión dos transformadores de estado sólido é un proceso gradual que depende do progreso coordinado en semiconductores de potencia, ciencia de materiais, teoría de control e tecnoloxías de xestión térmica.