Por que é difícil aumentar o nível de tensão?

O transformador de estado sólido (SST), também conhecido como transformador eletrônico de potência (PET), usa o nível de tensão como um indicador-chave de sua maturidade tecnológica e cenários de aplicação. Atualmente, os SSTs atingiram níveis de tensão de 10 kV e 35 kV no lado de distribuição de média tensão, enquanto no lado de transmissão de alta tensão, eles permanecem na fase de pesquisa laboratorial e validação de protótipos. A tabela abaixo ilustra claramente o status atual dos níveis de tensão em diferentes cenários de aplicação:

1. Por que é difícil aumentar o nível de tensão?
O nível de tensão de um transformador de estado sólido (SST) não pode ser simplesmente aumentado empilhando componentes; ele é limitado por uma série de desafios técnicos fundamentais:

1.1 Limitação de resistência à tensão de dispositivos semicondutores de potência

• Este é o gargalo central. Atualmente, os SSTs principais usam IGBTs baseados em silício ou MOSFETs de carbeto de silício (SiC) mais avançados.

• A classificação de tensão de um único dispositivo SiC é tipicamente de cerca de 10 kV a 15 kV. Para lidar com tensões de sistema mais altas (por exemplo, 35 kV), vários dispositivos devem ser conectados em série. No entanto, a conexão em série introduz problemas complexos de "equilíbrio de tensão", onde mesmo pequenas diferenças entre dispositivos podem levar a um desequilíbrio de tensão e resultar em falha do módulo.

1.2 Desafios na tecnologia de isolamento de transformadores de alta frequência

A principal vantagem dos SSTs está na redução de tamanho através da operação de alta frequência. No entanto, em altas frequências, o desempenho dos materiais de isolamento e a distribuição do campo elétrico tornam-se extremamente complexos. Quanto maior o nível de tensão, mais rigorosas são as exigências para o design de isolamento, processos de fabricação e gerenciamento térmico do transformador de alta frequência. Alcançar isolamento de alta frequência de dezenas de kV em um espaço limitado representa um desafio significativo em termos de materiais e design.

1.3 Complexidade da topologia do sistema e controle

Para lidar com altas tensões, os SSTs geralmente adotam topologias modulares em cascata (por exemplo, MMC—Conversor Modular Multinível). Quanto maior o nível de tensão, maior o número de sub-módulos necessários, levando a uma estrutura de sistema extremamente complexa. A dificuldade de controle aumenta exponencialmente, e tanto o custo quanto a taxa de falha aumentam conforme.

2. Perspectiva Futura
Apesar dos desafios significativos, as inovações tecnológicas continuam:

• Avanço de dispositivos: Dispositivos SiC e de nitreto de gálio (GaN) com classificação de tensão mais alta estão em desenvolvimento e representam a base para alcançar SSTs de tensão mais alta.

• Inovação topológica: Novas topologias de circuito, como abordagens híbridas (combinando transformadores convencionais com conversores eletrônicos de potência), são consideradas um caminho viável para avanços rápidos em aplicações de alta tensão.

• Padronização: À medida que organizações como a IEEE começam a estabelecer padrões relacionados a SSTs, isso promoverá o design e testes padronizados, acelerando a maturidade tecnológica.

3. Conclusão
Atualmente, os SSTs de 10 kV entraram em aplicação comercial, e o nível de 35 kV representa o nível mais alto alcançado em projetos de demonstração, enquanto os níveis de tensão de 110 kV e acima permanecem no domínio da pesquisa técnica prospectiva. O avanço dos níveis de tensão dos transformadores de estado sólido é um processo gradual que depende do progresso coordenado em semicondutores de potência, ciência dos materiais, teoria de controle e tecnologias de gerenciamento térmico.