Što je tranzformator na čvrstom stanju? Kako se razlikuje od tradicionalnog tranzformatora?

Čvrsto stanje transformator (SST)

Čvrsto stanje transformator (SST) je uređaj za pretvorbu struje koji koristi modernu tehnologiju elektronike snage i poluprovodničke uređaje kako bi postigao pretvorbu napona i prijenos energije.

Ključne razlike u odnosu na konvencionalne transformatore

• Različiti principi rada

• Konvencionalni transformator: Baziran na elektromagnetskoj indukciji. Mijenja napon putem elektromagnetskog spoja između primarnih i sekundarnih zavojnica preko željeznog jezgra. To je u suštini direktna "magnetsko-magnetska" pretvorba niskofrekventne (50/60 Hz) AC energije.

• Čvrsto stanje transformator: Baziran na pretvorbi elektronike snage. Prvo pravokutno ulaznu AC pretvara u DC (AC-DC), zatim vrši visokofrekventnu izolaciju (obično korištenjem visokofrekventnog transformatora ili kapacitivne izolacije) kako bi se mijenjao napon (preko DC-AC-DC ili DC-DC faza), a zatim inverzija izlaza na potreban AC ili DC napon. Taj proces uključuje pretvorbu energije od električne → visokofrekventne električne → električne.

• Različiti materijali jezgra

• Konvencionalni transformator: Sastavnice jezgra su laminirana silikonska željezna jezgra i bakrene/aluminijumske zavojnice.

• Čvrsto stanje transformator: Sastavnice uključuju poluprovodničke prekidače snage (npr., IGBTs, SiC MOSFETs, GaN HEMTs), visokofrekventne magnetske elemente (transformatori ili induktor za visokofrekventnu izolaciju), kondenzatore i napredne kontrolne šarže.

Osnovna struktura SST-a (pojednostavljeno)

Tipičan SST obično sastoji se od tri glavne faze pretvorbe snage:

• Faza pravokutne pretvorbe: Pretvara ulazni linijinski frekvencijski AC napon (npr., 50 Hz ili 60 Hz) u međuspremninsku DC bus napetost.

• Izolacijska / DC-DC pretvarajuća faza: Glavna faza. Međuspremninska DC napetost se inverzira u visokofrekventni AC (od nekoliko kHz do stotina kHz), koji pogoni visokofrekventni izolacijski transformator (mnogo manji i lakši od linijinskog-frekventnog transformatora). Sekundarna strana zatim pravokutno pretvara visokofrekventni AC natrag u DC. Ova faza postiže pretvorbu napona i ključnu galvanom izolaciju. Neke topologije koriste visokofrekventne izolirane DC-DC pretvarajuće uređaje za tu svrhu.

• Faza inverzije izlaza: Pretvara izoliranu DC napetost u potrebnu linijinsku frekvenciju (ili drugu frekvenciju) AC napetost za opterećenje. Za primjene s DC izlazom, ova faza može biti pojednostavljena ili izostavljena.

Glavne značajke i prednosti SST-a

• Kompaktna veličina i laka težina: Visokofrekventni transformatori zahtijevaju daleko manje materijala za jezgro, eliminirajući grube željezne jezgra. Volumen i težina su tipično 30%–50% (ili manje) od ekvivalentnih kapacitetnih konvencionalnih transformatora.

• Visoka gustoća energije: Postignuta zbog miniaturizacije.

• Visoka gustoća snage: Mogućnost obrade veće snage po jedinici volumena.

• Širok raspon ulaznih/izlaznih napona: Fleksibilne strategije kontrole omogućavaju prilagodbu faktora snage unosa i izlaznog napona/toka, čineći SST-e idealnim za integraciju fluktuirajućih obnovljivih izvora (npr., fotovoltaika, vjetar) ili mreže DC distribucije. Mogu pružati visokokvalitetni, niskodistorzijski AC izlaz ili stabilni DC izlaz.

• Kontrolirana električna izolacija: Pored osnovne izolacije, SST-i mogu ograničiti strujne greške i pružiti poboljšanu zaštitu mreže.

• Dvosmjerni protok snage: Urodno sposobni dvosmjernog prijenosa energije, idealni za primjene poput EV V2G (vozilo-do-mreže) i sustavi pohrane energije.

• Pametni i kontrolirani: Oprijeđeni naprednim kontrolerima omogućuju:

• Ispravljanje faktora snage

• Regulacija aktivne/reaktivne snage

• Stabilizacija napona i frekvencije

• Mitigacija harmonika

• Stvarno vrijeme nadzora i zaštite

• Udaljena komunikacija i koordinirana kontrola (idealna za pametne mreže)

• Bez ulja i prijateljski okolišu: Bez izolacijskog ulja, eliminirajući zagađenje i opasnosti požara.

• Smanjeni gubitci bakra i željeza: Visokoefikasna visokofrekventna magnetska kombinirana s visokoefikasnim poluprovodnicima (posebno SiC/GaN) omogućuju efikasnost sustava usporedivu ili bolju od visokokvalitetnih konvencionalnih transformatora.

Izazovi i nedostaci SST-a

• Visoka cijena: Poluprovodnički uređaji, visokofrekventna magnetska i kontrolni sustavi trenutno su puno skuplji od željeza i bakra korištenih u konvencionalnim transformatorima. To je najveći prepreka širokoj primjeni.

• Zabrinutosti oko pouzdanosti: Poluprovodnički uređaji su potencijalni točke greške (u usporedbi s izdržljivošću zavojnica transformatora), što zahtijeva složene redundancije, termalno upravljanje i sheme zaštite. Visokofrekventno prebacivanje također može uzrokovati elektromagnetsku interferenciju (EMI).

• Izazovi u termalnom upravljanju: Visoka gustoća snage stvara značajne zahtjeve za ispuštanjem topline, što zahtijeva učinkovita rješenja hlađenja.

• Visoka tehnička kompleksnost: Dizajn i proizvodnja uključuju više disciplina—elektroniku snage, elektromagnetizam, materijalnu znanost, teoriju kontrole i termalno upravljanje—rezultirajući visokim preprekama za ulaz.

• Niska standardizacija: Tehnologija još evoluir