Dlaczego trudno jest zwiększyć poziom napięcia?

Stacjonarny transformator (SST), znany również jako transformator elektroniczny (PET), używa poziomu napięcia jako kluczowego wskaźnika dojrzałości technologicznej i scenariuszy zastosowań. Obecnie SST osiągnął poziomy napięcia 10 kV i 35 kV w sieciach średniego napięcia, podczas gdy w sieciach wysokiego napięcia pozostaje na etapie badań laboratoryjnych i walidacji prototypów. Poniższa tabela jasno ilustruje obecny stan poziomów napięcia w różnych scenariuszach zastosowań:

1. Dlaczego trudno jest zwiększyć poziom napięcia?
Poziom napięcia stacjonarnego transformatora (SST) nie może być prostym zwiększaniem przez dodawanie komponentów, jest ograniczony przez szereg fundamentalnych problemów technicznych:

1.1 Ograniczenie nośności napięcia urządzeń półprzewodnikowych mocy

• To jest kluczowy butelkowiec. Obecnie dominujące SST używają krzemowych IGBT lub bardziej zaawansowanych karbidu krzemu (SiC) MOSFETów.

• Napięcie pojedynczego urządzenia SiC wynosi zwykle około 10 kV do 15 kV. Aby obsłużyć wyższe napięcia systemowe (np. 35 kV), muszą być połączone szeregowo. Jednak połączenie szeregowe wprowadza skomplikowane problemy „balansowania napięcia”, gdzie nawet drobne różnice między urządzeniami mogą prowadzić do nierównomierności napięcia i awarii modułu.

1.2 Wyzwania w technologii izolacji transformatora wysokiej częstotliwości

Kluczową zaletą SST jest zmniejszenie rozmiaru dzięki pracy na wysokich częstotliwościach. Jednak przy wysokich częstotliwościach wydajność materiałów izolacyjnych i rozkład pola elektrycznego stają się极其抱歉，我注意到在翻译过程中出现了错误。以下是正确的波兰语翻译：

Stacjonarny transformator (SST), znany również jako transformator elektroniczny (PET), używa poziomu napięcia jako kluczowego wskaźnika dojrzałości technologicznej i scenariuszy zastosowań. Obecnie SST osiągnął poziomy napięcia 10 kV i 35 kV w sieciach średniego napięcia, podczas gdy w sieciach wysokiego napięcia pozostaje na etapie badań laboratoryjnych i walidacji prototypów. Poniższa tabela jasno ilustruje obecny stan poziomów napięcia w różnych scenariuszach zastosowań:

1. Dlaczego trudno jest zwiększyć poziom napięcia?
Poziom napięcia stacjonarnego transformatora (SST) nie może być prostym zwiększaniem przez dodawanie komponentów, jest ograniczony przez szereg fundamentalnych problemów technicznych:

1.1 Ograniczenie nośności napięcia urządzeń półprzewodnikowych mocy

• To jest kluczowy butelkowiec. Obecnie dominujące SST używają krzemowych IGBT lub bardziej zaawansowanych karbidu krzemu (SiC) MOSFETów.

• Napięcie pojedynczego urządzenia SiC wynosi zwykle około 10 kV do 15 kV. Aby obsłużyć wyższe napięcia systemowe (np. 35 kV), muszą być połączone szeregowo. Jednak połączenie szeregowe wprowadza skomplikowane problemy „balansowania napięcia”, gdzie nawet drobne różnice między urządzeniami mogą prowadzić do nierównomierności napięcia i awarii modułu.

1.2 Wyzwania w technologii izolacji transformatora wysokiej częstotliwości

Kluczową zaletą SST jest zmniejszenie rozmiaru dzięki pracy na wysokich częstotliwościach. Jednak przy wysokich częstotliwościach wydajność materiałów izolacyjnych i rozkład pola elektrycznego stają się ekstremalnie skomplikowane. Im wyższy poziom napięcia, tym bardziej surowe są wymagania dotyczące projektowania izolacji, procesów produkcji i zarządzania ciepłem w transformatorze wysokiej częstotliwości. Osiągnięcie izolacji na poziomie kilkudziesięciu kV w ograniczonej przestrzeni stanowi istotne wyzwanie w zakresie materiałów i projektowania.

1.3 Złożoność topologii systemu i sterowania

Aby obsługiwać wysokie napięcia, SST zazwyczaj stosują topologie modułowe kaskadowe (np. MMC — Modułowy Konwerter Wielopoziomowy). Im wyższy poziom napięcia, tym większa liczba modułów podrzędnych jest potrzebna, co prowadzi do ekstremalnie złożonej struktury systemu. Trudność sterowania wzrasta wykładniczo, a zarówno koszt, jak i prawdopodobieństwo awarii, rosną odpowiednio.

2. Przyszłe perspektywy
Pomimo znaczących wyzwań, kontynuują się przełomowe postępy technologiczne:

• Postęp w urządzeniach: Rozwijane są urządzenia SiC i azotku galu (GaN) o wyższych napięciach, które stanowią podstawę do osiągnięcia SST o wyższych napięciach.

• Innowacje w topologii: Nowe układy obwodowe, takie jak podejście hybrydowe (połączenie tradycyjnych transformatorów z konwerterami elektronicznymi), są uważane za realną ścieżkę szybkich przełomów w zastosowaniach wysokonapięciowych.

• Standardyzacja: W miarę jak organizacje, takie jak IEEE, zaczynają tworzyć standardy związane z SST, to będzie promować standaryzację projektowania i testowania, przyspieszając dojrzałość technologiczną.

3. Podsumowanie
Obecnie SST o napięciu 10 kV weszły do zastosowań komercyjnych, a poziom 35 kV reprezentuje najwyższy osiągnięty poziom w projektach demonstracyjnych, podczas gdy napięcia powyżej 110 kV pozostają w dziedzinie przyszłych badań technicznych. Postęp w poziomach napięcia SST jest stopniowym procesem, który zależy od koordynowanego postępu w technologiach półprzewodników mocy, nauk materiałowych, teorii sterowania i zarządzania ciepłem.