固体変圧器とは何ですか。従来の変圧器と何が異なるのでしょうか。

固体変圧器（SST）

固体変圧器（SST）は、現代の電力電子技術と半導体デバイスを使用して、電圧変換とエネルギー伝送を実現する電力変換装置です。

従来の変圧器との主な違い

• 異なる動作原理

• 従来の変圧器：電磁誘導に基づいています。鉄心を通じて一次巻線と二次巻線間の電磁結合により電圧を変換します。これは本質的に低周波（50/60 Hz）ACエネルギーの直接的な「磁気から磁気」への変換です。

• 固体変圧器：電力電子変換に基づいています。入力ACをDC（AC-DC）に整流し、高周波隔離（通常は高周波変圧器または容量隔離を使用）を行い、電圧を変換（DC-AC-DCまたはDC-DCステージ）、最後に出力を必要なACまたはDC電圧に逆変換します。このプロセスには、電気→高周波電気→電気というエネルギー変換が含まれます。

• 異なるコア材料

• 従来の変圧器：コアコンポーネントは層状のシリコン鋼板コアと銅/アルミニウム巻線です。

• 固体変圧器：コアコンポーネントには半導体パワースイッチ（例：IGBT、SiC MOSFET、GaN HEMT）、高周波磁気要素（高周波隔離用の変圧器またはインダクタ）、キャパシタ、および高度な制御回路が含まれます。

SSTの基本構造（簡略化）

典型的なSSTは通常、以下の3つの主要な電力変換段階で構成されています：

• 入力整流段階：入力の商用周波数AC電圧（例：50 Hzまたは60 Hz）を中間DCバス電圧に変換します。

• 隔離/DC-DC変換段階：中間DC電圧を高周波AC（数kHzから数百kHzまで）に逆変換し、高周波隔離変圧器（商用周波数変圧器よりも小さく軽い）を駆動します。二次側では、高周波ACを再度DCに整流します。この段階では、電圧変換と重要なガルバニック隔離を達成します。一部のトポロジーでは、この目的のために高周波隔離DC-DCコンバータを使用します。

• 出力逆変換段階：隔離されたDC電圧を負荷に必要な商用周波数（または他の周波数）のAC電圧に変換します。DC出力用途の場合、この段階は簡略化または省略できます。

SSTの主な特徴と利点

• 小型軽量：高周波変圧器は大幅に少ないコア材料で済むため、嵩張る鉄心が不要です。体積と重量は通常、同等容量の従来の変圧器の30%～50%（またはそれ以下）です。

• 高エネルギー密度：小型化により達成されます。

• 高電力密度：単位体積あたりの高い電力を扱うことができます。

• 広い入力/出力電圧範囲：柔軟な制御戦略により、入力電力係数と出力電圧/電流を調整でき、SSTは変動する再生可能エネルギー源（例：太陽光、風力）やDC配電ネットワークとの統合に理想的です。高品質で歪みの少ないAC出力または安定したDC出力を提供できます。

• 制御可能な電気的隔離：基本的な隔離に加えて、SSTは故障電流を制限し、強化されたグリッド保護を提供できます。

• 双方向電力フロー：本質的に双方向エネルギー伝送が可能であり、EV V2G（車両からグリッドへの電力供給）やエネルギーストレージシステムなどのアプリケーションに理想的です。

• 知能的かつ制御可能：高度な制御装置を備え、以下の機能を有効にします：

• 電力係数補正

• 有効/無効電力制御

• 電圧と周波数の安定化

• 高調波抑制

• リアルタイム監視と保護

• 遠隔通信と協調制御（スマートグリッドに適しています）

• オイルフリーで環境に優しい：絶縁油を使用しないため、汚染や火災の危険性がありません。

• 銅損と鉄損の減少：高効率の高周波磁気と高効率半導体（特にSiC/GaN）の組み合わせにより、システム効率は高級な従来の変圧器と同等またはそれ以上になります。

SSTの課題と欠点

• 高コスト：半導体デバイス、高周波磁気、および制御システムは、従来の変圧器で使用される鉄と銅よりも現在は大幅に高価です。これが大規模展開の最大の障壁です。

• 信頼性の懸念：半導体デバイスは潜在的な故障ポイント（変圧器巻線の堅牢性と比較して）であり、複雑な冗長性、熱管理、および保護スキームが必要です。高周波スイッチングはまた、電磁干渉（EMI）を引き起こす可能性があります。

• 熱管理の課題：高電力密度により、効率的な冷却ソリューションが必要な大量の熱放出要求が生じます。

• 高い技術的複雑さ：設計と製造には電力電子工学、電磁気学、材料科学、制御理論、熱管理など、複数の分野が関与しており、高い参入障壁があります。

• 標準化の不足：技術はまだ発展中であり、関連する規格と仕様はまだ完全に成熟または統一されていません。

SSTの適用シナリオ（現在と将来）

• 将来のスマートグリッド：配電網（ポールマウント型変圧器の置き換え）、マイクログリッド（AC/DCハイブリッドマイクログリッドの相互接続を可能にする）、エネルギールーター。

• 電動交通：超高速EV充電ステーション、電動鉄道牽引電源（特に中低電圧用途）。

• 再生可能エネルギー統合：風力および太陽光発電をグリッドに接続する効率的で知能的なインターフェースとして（特に中電圧直結に適しています）。

• データセンター：従来のUPS前段変圧器を置き換える小型で効率的かつ知能的な電力変換ノードとして。

• 特殊産業用途：高い制御性、高品質電力、スペース制約、または頻繁な電力変換が必要なシナリオ。

まとめ

固体変圧器（SST）は、変圧器技術における革命的な方向性を示しています。電力電子工学と高周波隔離を活用することで、SSTは従来の変圧器の物理的制約を克服し、小型化、軽量化、知能化、多機能化を実現します。現在、高コスト、信頼性の懸念、技術的な複雑さにより大規模な導入が制限されていますが、半導体技術（特にSiCおよびGaNなどのワイドバンドギャップデバイス）、磁気材料、制御アルゴリズムの継続的な進歩により、進展が見込まれています。SSTは、より柔軟で効率的で知能的な将来のエネルギーシステムの構築において重要な役割を果たし、高価値かつ専門的な用途での従来の変圧器の徐々の置き換えが期待されます。