Waarom is het moeilijk om het spanningniveau te verhogen?
De vaste toestandsversterker (SST), ook bekend als een elektronische versterker (PET), gebruikt het spanningniveau als een belangrijke indicator van technologische volwassenheid en toepassingsscenario's. Momenteel hebben SST's op de middenspanningszijde spanningniveaus bereikt van 10 kV en 35 kV, terwijl op de hoogspanningszijde van transmissie ze nog in het stadium van laboratoriumonderzoek en prototypevalidatie zijn. De onderstaande tabel illustreert duidelijk de huidige status van spanningniveaus over verschillende toepassingsscenario's:
| Toepassingsscenario | Spanningniveau | Technische status | Opmerkingen en voorbeelden |
| Datacenter / Gebouw | 10kV | Commerciele toepassing | Er zijn veel volwassen producten. Bijvoorbeeld, CGIC leverde een 10kV/2,4MW SST voor het "Oost Digitale en West Berekening" Gui'an Datacenter. |
| Distributienetwerk / Park - niveau demonstratie | 10kV - 35kV | Demonstratieproject | Enkele toonaangevende bedrijven hebben 35kV prototypen gelanceerd en netverbonden demonstraties uitgevoerd, wat tot nu toe het hoogste bekende spanningniveau voor ingenieursapplicaties is. |
| Transmissiezijde van energie-systeem | > 110kV | Laboratoriumprincipeprototype | Universiteiten en onderzoeksinstellingen (zoals Tsinghua University, Global Energy Internet Research Institute) hebben prototypen ontwikkeld met spanningniveaus van 110kV en hoger, maar er zijn tot nu toe geen commerciële projecten gevonden. |
1. Waarom is het moeilijk om het spanningniveau te verhogen?
Het spanningniveau van een vaste toestandsversterker (SST) kan niet eenvoudig worden verhoogd door componenten te stapelen; het wordt beperkt door een reeks fundamentele technische uitdagingen:
1.1 Spanningsbestendigheidsbeperking van krachtsemiconductorapparaten
Dit is de kernflessehals. Momenteel gebruiken mainstream SST's silicium-gebaseerde IGBT's of meer geavanceerde sikarbide (SiC) MOSFET's.
Het spanningniveau van een enkel SiC-apparaat ligt meestal rond de 10 kV tot 15 kV. Om hogere systeemspanningen (bijvoorbeeld 35 kV) af te handelen, moeten meerdere apparaten in serie worden verbonden. Echter, serieverbinding introduceert complexe "spanningsbalansproblemen", waarbij zelfs kleine verschillen tussen apparaten leiden kunnen tot spanningsonevenwicht en resultaat in modulefouten.
1.2 Uitdagingen in hoogfrequente transformatorisolatietechnologie
Het kernvoordeel van SST's ligt in de afmetingsreductie door hoogfrequente werking. Echter, bij hoge frequenties worden de prestaties van isolatiematerialen en elektrisch veldverdeling extreem complex. Hoe hoger het spanningniveau, hoe strenger de eisen voor isolatieontwerp, fabricageprocessen en thermische beheersing van de hoogfrequente transformator. Het bereiken van tientallen kV-niveau hoogfrequente isolatie binnen een beperkte ruimte vertegenwoordigt een significante uitdaging in materialen en ontwerp.
1.3 Complexiteit van systeemtopologie en controle
Om hoge spanningen af te handelen, gebruiken SST's meestal gecasseerde modulaire topologieën (bijvoorbeeld MMC—Modular Multilevel Converter). Hoe hoger het spanningniveau, hoe groter het aantal submodules dat nodig is, wat leidt tot een extreem complex systeem. De controlecomplexiteit neemt exponentieel toe, en zowel de kosten als de foutfrequentie stijgen evenredig.
2. Toekomstperspectief
Ondanks de significante uitdagingen blijven technologische doorbraken doorgaan:
Apparaatvoortgang: Apparaten met hoger spanningniveau zoals SiC en galliumnitride (GaN) zijn in ontwikkeling en vormen de basis voor het bereiken van SST's met hogere spanning.
Topologie-innovatie: Nieuwe schakelingstopologieën, zoals hybride benaderingen (combinatie van conventionele transformatoren met krachtelektronische converters), worden beschouwd als een haalbare weg voor snelle doorbraken in toepassingen met hoge spanning.
Standardisering: Terwijl organisaties zoals IEEE beginnen met het vaststellen van SST-gerelateerde normen, zal dit gestandaardiseerde ontwerp en testen bevorderen, waardoor de technologische volwassenheid versnelt.
3. Conclusie
Momenteel zijn 10 kV SST's in commerciële toepassing getreden, en het 35 kV-niveau vertegenwoordigt het hoogste niveau dat in demonstratieprojecten is bereikt, terwijl spanningniveaus van 110 kV en hoger in het domein van vooruitziend technisch onderzoek blijven. De voortgang van de spanningniveaus van vaste toestandsversterkers is een geleidelijk proces dat afhankelijk is van coördineerde voortgang in krachtsemiconductoren, materiaalkunde, controletheorie en warmtebeheertechnologieën.
