Perché è difficile aumentare il livello di tensione?

Il trasformatore a stato solido (SST), noto anche come trasformatore elettronico di potenza (PET), utilizza il livello di tensione come indicatore chiave della sua maturità tecnologica e degli scenari di applicazione. Attualmente, gli SST hanno raggiunto livelli di tensione di 10 kV e 35 kV sul lato di distribuzione a media tensione, mentre sul lato di trasmissione ad alta tensione, rimangono nella fase di ricerca in laboratorio e validazione prototipale. La tabella sottostante illustra chiaramente lo stato attuale dei livelli di tensione in diversi scenari di applicazione:

1. Perché è difficile aumentare il livello di tensione?
Il livello di tensione di un trasformatore a stato solido (SST) non può essere semplicemente aumentato accatastando componenti; è vincolato da una serie di sfide tecniche fondamentali:

1.1 Limitazione della resistenza alla tensione dei dispositivi semiconduttori di potenza

• Questa è la bottiglia principale. Attualmente, gli SST mainstream utilizzano IGBT a base di silicio o MOSFET di carburo di silicio (SiC) più avanzati.

• La tensione nominale di un singolo dispositivo SiC è tipicamente intorno ai 10 kV - 15 kV. Per gestire tensioni di sistema più elevate (ad esempio, 35 kV), devono essere collegati in serie più dispositivi. Tuttavia, la connessione in serie introduce problemi complessi di "bilanciamento della tensione", dove anche le minime differenze tra i dispositivi possono portare a un squilibrio di tensione e al fallimento del modulo.

1.2 Sfide nella tecnologia di isolamento del trasformatore ad alta frequenza

Il vantaggio principale degli SST risiede nella riduzione delle dimensioni attraverso l'operazione ad alta frequenza. Tuttavia, a frequenze elevate, le prestazioni dei materiali isolanti e la distribuzione del campo elettrico diventano estremamente complesse. Più elevato è il livello di tensione, più stringenti sono i requisiti per la progettazione dell'isolamento, i processi di fabbricazione e la gestione termica del trasformatore ad alta frequenza. Realizzare isolamenti ad alta frequenza a decine di kV in uno spazio limitato rappresenta una sfida significativa in termini di materiali e progettazione.

1.3 Complessità della topologia del sistema e del controllo

Per gestire tensioni elevate, gli SST adottano solitamente topologie modulari a cascata (ad esempio, MMC - Convertitore Modulare Multilivello). Più elevato è il livello di tensione, maggiore è il numero di sottomoduli richiesti, portando a una struttura di sistema estremamente complessa. La difficoltà di controllo aumenta esponenzialmente, e sia il costo che il tasso di guasto aumentano di conseguenza.

2. Prospettive Future
Nonostante le significative sfide, i progressi tecnologici continuano:

• Avanzamento dei dispositivi: sono in sviluppo dispositivi SiC e nitruro di gallio (GaN) a tensione più elevata, che costituiscono la base per realizzare SST a tensioni più elevate.

• Innovazione topologica: nuove topologie di circuito, come approcci ibridi (che combinano trasformatori convenzionali con convertitori elettronici di potenza), sono considerate un percorso fattibile per rapidi progressi nelle applicazioni ad alta tensione.

• Standardizzazione: man mano che organizzazioni come l'IEE-Business iniziano a stabilire standard relativi agli SST, questo promuoverà la progettazione e la verifica standardizzate, accelerando la maturità tecnologica.

3. Conclusione
Attualmente, gli SST da 10 kV sono entrati in applicazione commerciale, e il livello di 35 kV rappresenta il livello più elevato raggiunto nei progetti dimostrativi, mentre i livelli di tensione di 110 kV e superiori rimangono nel campo della ricerca tecnica prospettica. L'avanzamento dei livelli di tensione degli SST è un processo graduale che dipende dal progresso coordinato nei semiconduttori di potenza, nella scienza dei materiali, nella teoria del controllo e nelle tecnologie di gestione termica.