Mengapa sukar untuk meningkatkan tahap voltan?

Peralihan keadaan pepejal (SST), juga dikenali sebagai peralihan elektronik kuasa (PET), menggunakan tahap voltan sebagai penunjuk utama kematangan teknologi dan skenario aplikasinya. Pada masa ini, SST telah mencapai tahap voltan 10 kV dan 35 kV pada sisi pengagihan voltan sederhana, manakala pada sisi penghantaran voltan tinggi, ia masih berada dalam peringkat penyelidikan makmal dan pengesahan prototaip. Jadual di bawah menggambarkan dengan jelas status semasa tahap voltan di pelbagai skenario aplikasi:

1. Mengapa sukar untuk meningkatkan tahap voltan?
Tahap voltan peralihan keadaan pepejal (SST) tidak boleh dinaikkan dengan mudah hanya dengan menumpuk komponen; ia dibatasi oleh sejumlah cabaran teknikal asas:

1.1 Had ketahanan voltan peranti semikonduktor kuasa

• Ini adalah botol leher utama. Pada masa ini, SST utama menggunakan IGBT berdasarkan silikon atau MOSFET karbida silikon (SiC) yang lebih canggih.

• Penilaian voltan peranti SiC tunggal biasanya sekitar 10 kV hingga 15 kV. Untuk menangani voltan sistem yang lebih tinggi (misalnya, 35 kV), beberapa peranti mesti disambung secara siri. Namun, sambungan siri memperkenalkan isu "penyeimbangan voltan" yang kompleks, di mana perbezaan kecil antara peranti boleh menyebabkan ketidakseimbangan voltan dan mengakibatkan kegagalan modul.

1.2 Cabaran dalam teknologi isolasi transformer frekuensi tinggi

Kelebihan utama SST terletak pada pengurangan saiz melalui operasi frekuensi tinggi. Walau bagaimanapun, di bawah frekuensi tinggi, prestasi bahan isolasi dan taburan medan elektrik menjadi sangat rumit. Semakin tinggi tahap voltan, semakin ketat tuntutan bagi reka bentuk isolasi, proses pembuatan, dan pengurusan haba transformer frekuensi tinggi. Mencapai isolasi frekuensi tinggi tahap puluhan kV dalam ruang terhad mewakili cabaran besar dalam bahan dan reka bentuk.

1.3 Kepelbagaian topologi sistem dan kawalan

Untuk menangani voltan tinggi, SST biasanya mengambil topologi modul bertingkat (contohnya, MMC—Modular Multilevel Converter). Semakin tinggi tahap voltan, semakin banyak sub-modul yang diperlukan, menyebabkan struktur sistem yang sangat kompleks. Kesukaran kawalan meningkat secara eksponensial, dan kos serta kadar kegagalan meningkat seterusnya.

2. Pandangan Masa Depan
Walaupun terdapat cabaran yang signifikan, penembusan teknologi terus berlanjutan:

• Kemajuan peranti: Peranti SiC dan nitrid galium (GaN) dengan penilaian voltan yang lebih tinggi sedang dibangunkan dan mewakili asas untuk mencapai SST voltan tinggi.

• Inovasi topologi: Topologi litar baru, seperti pendekatan hibrid (menggabungkan transformer konvensional dengan pemindah kuasa elektronik), dianggap sebagai jalan yang layak untuk penembusan cepat dalam aplikasi voltan tinggi.

• Standardisasi: Sebagai organisasi seperti IEEE mula menubuhkan standard berkaitan SST, ini akan mempromosikan reka bentuk dan ujian yang piawai, mempercepatkan kematangan teknologi.

3. Kesimpulan
Pada masa ini, SST 10 kV telah memasuki aplikasi komersial, dan tahap 35 kV mewakili tahap tertinggi yang dicapai dalam projek demonstrasi, manakala tahap voltan 110 kV dan lebih tinggi masih berada dalam bidang penyelidikan teknikal yang berorientasikan ke depan. Kemajuan tahap voltan peralihan keadaan pepejal adalah proses bertahap yang bergantung pada kemajuan bersama dalam semikonduktor kuasa, sains bahan, teori kawalan, dan teknologi pengurusan haba.