למה קשה להעלות את רמת המתח?

הטרנספורמציה מוצקה (SST), המוכרת גם כטרנספורמציה אלקטרונית של כוח (PET), משתמשת ברמת הלחץ כמגמה ראשית של בשלות הטכנולוגית והסצנאריות היישומיות שלה. כיום, SST הגיעו לרמות לחץ של 10 ק"וו ו-35 ק"וו בצד התפוצה הבינוני, בעוד שבצד העברת הכוח הגבוהה הם עדיין נמצאים בשלב המחקר מעבדתי והאימות הפרוטוטיפלי. הטבלה שלהלן מציגה בבירור את מצב רמות הלחץ בסצנאריות יישומיות שונות:

1. מדוע קשה להעלות את רמת הלחץ?
רמת הלחץ של טרנספורמציה מוצקה (SST) לא יכולה להיות פשוט מגובה על ידי ערימת מרכיבים; היא מוגבלת על ידי סדרה של تحديات تقنية أساسية:

1.1 הגבלת הסובלנות ללחץ של מרכיבים מוליכים למחצה לפועלים

• זו היא הצוואר האטום העיקרי. כיום, SSTים נפוצים משתמשים ב-IGBT מבוססי סיליקון או ב-MOSFET סיליקון קרבייד (SiC) מתקדמים יותר.

• הדרגה של לחץ של מרכיב SiC בודד היא בדרך כלל סביב 10 ק"וו עד 15 ק"וו. כדי להתמודד עם לחצים גבוהים יותר של המערכת (לדוגמה, 35 ק"וו), יש לחבר מספר מרכיבים בשורה. עם זאת, החיבור בשורה מכניס בעיות מורכבות של "איזון לחץ", כאשר אפילו הבדלים קטנים בין המרכיבים יכולים להוביל לאיזון לחץ ולכשל במודול.

1.2 אתגרים בטכנולוגיית ההבודדות של טרנספורמטורים בתדר גבוה

היתרון המרכזי של SSTים הוא הקטנת הגודל באמצעות פעולה בתדר גבוה. עם זאת, בתדרים גבוהים, ביצועי חומרי ההבודדות והתפזרות השדה החשמלי נעשים מאוד מורכבים. ככל שהלחץ גבוה יותר, כך הפערים בהגדרת ההבודדות, בתהליכי הייצור ובניהול החום של הטרנספורמטור בתדר גבוה מתארכים. השגת בידוד בתדר גבוה ברמה של עשרות ק"וו בתוך מרחב מוגבל מייצגת אתגר גדול בחומרים ובעיצוב.

1.3 מורכבות הטופולוגיה והשליטה של המערכת

כדי להתמודד עם לחצים גבוהים, SSTs בדרך כלל משתמשים בטופולוגיות מודולריות מדורגות (לדוגמה, MMC—ממיר רב-מפלסים מודולרי). ככל שהלחץ גבוה יותר, כך גדל מספר המשובצות הנדרשות, מה שמוביל למבנה מערכת מאוד מורכב.難度增加，成本和故障率也随之上升。 **2. 未来展望** 尽管面临重大挑战，技术突破仍在继续： - 设备进步：更高电压等级的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件正在开发中，这是实现更高电压SST的基础。 - 拓扑创新：新的电路拓扑结构，如混合方法（将传统变压器与电力电子变换器结合），被认为是快速突破高压应用的可行途径。 - 标准化：随着IEEE等组织开始制定SST相关标准，这将促进标准化设计和测试，加速技术成熟。 **3. 结论** 目前，10 kV的SST已经进入商业应用，而35 kV水平代表了示范项目中达到的最高水平，而110 kV及以上的电压水平仍处于前瞻性技术研究领域。固态变压器电压水平的提升是一个渐进的过程，依赖于功率半导体、材料科学、控制理论和热管理技术的协同进展。** 请允许我更正并完成翻译：

1.3 מורכבות הטופולוגיה והשליטה של המערכת

כדי להתמודד עם לחצים גבוהים, SSTs בדרך כלל משתמשים בטופולוגיות מודולריות מדורגות (לדוגמה, MMC—ממיר רב-מפלסים מודולרי). ככל שהלחץ גבוה יותר, כך גדל מספר המשובצות הנדרשות, מה שמוביל למבנה מערכת מאוד מורכב. הקושי בשליטה גדל באופן מעריכי, והעלויות והשיעור של כשלים עולים בהתאם.

2. תחזית לעתיד
למרות האתגרים הגדולים, המשך התקדמות טכנולוגית מתרחש:

• התקדמות במכשירים: מכשירים בעלי דרגת לחץ גבוהה יותר כמו SiC ו-GaN נמצאים בפיתוח והם ייצגו את הבסיס להגעה לרמות לחץ גבוהות יותר ב-SSTs.

• חדשנות בטופולוגיה: טופולוגיות מעגל חדשות, כגון גישות היברידיות (שילוב בין טרנספורמטורים קונבנציונליים לממירים אלקטרוניים של כוח), נחשבות למסלול אפשרי לתפרוכת מהירה ביישומים ברמות לחץ גבוהות.

• סטנדרטיזציה: ככל שארגונים כמו IEE-Business מתחילים לקבוע תקני SST, זה יעזור לקדם עיצוב ובדיקות סטנדרטיים, מה שיעזור להאיץ בשלות טכנולוגית.

3. סיכום
כיום, SSTs ברמת לחץ של 10 ק"וו נכנסו ליישום מסחרי, ורמת ה-35 ק"וו מייצגת את הרמה הגבוהה ביותר שנשיגתה בפרויקטים הדגמה, בעוד שברמות לחץ של 110 ק"וו ומעלה הן עדיין בתחום המחקר הטכנולוגי מתקדם. התקדמות רמות הלחץ של טרנספורמציות מוצקות היא תהליך הדרגתי שמתבסס על התקדמות מאוחדת בטכנולוגיות מוליכים למחצה, מדעי החומרים, תורת השליטה וניהול חום.