Что такое твердотельный трансформатор? В чем его отличие от традиционного трансформатора?

Твердотельный трансформатор (SST)

Твердотельный трансформатор (SST) — это устройство преобразования энергии, которое использует современные технологии силовой электроники и полупроводниковые устройства для достижения преобразования напряжения и передачи энергии.

Основные отличия от традиционных трансформаторов

• Различные принципы работы

• Традиционный трансформатор: основан на электромагнитной индукции. Он изменяет напряжение через электромагнитное соединение между первичной и вторичной обмотками через железный сердечник. Это, по сути, прямое "магнитное-в-магнитное" преобразование низкочастотной (50/60 Гц) энергии переменного тока.

• Твердотельный трансформатор: основан на преобразовании силовой электроники. Сначала он выпрямляет входящий переменный ток в постоянный (AC-DC), затем выполняет высокочастотную изоляцию (обычно с использованием высокочастотного трансформатора или емкостной изоляции) для преобразования напряжения (через стадии DC-AC-DC или DC-DC), и, наконец, инвертирует выход на требуемое напряжение переменного или постоянного тока. Этот процесс включает преобразование энергии от электрической → высокочастотной электрической → электрической.

• Различные материалы сердечника

• Традиционный трансформатор: основными компонентами являются ламинированные сердечники из кремниевой стали и медные/алюминиевые обмотки.

• Твердотельный трансформатор: основные компоненты включают полупроводниковые силовые ключи (например, IGBT, SiC MOSFET, GaN HEMT), высокочастотные магнитные элементы (трансформаторы или дроссели для высокочастотной изоляции), конденсаторы и продвинутые управляющие цепи.

Основная структура SST (упрощенно)

Типичный SST обычно состоит из трех основных этапов преобразования мощности:

• Этап выпрямления входа: преобразует входное напряжение переменного тока сетевой частоты (например, 50 Гц или 60 Гц) в промежуточное напряжение постоянного тока.

• Этап изоляции / преобразования DC-DC: основной этап. Промежуточное напряжение постоянного тока инвертируется в высокочастотное переменное напряжение (от нескольких кГц до сотен кГц), которое приводит в действие высокочастотный изолирующий трансформатор (значительно меньший и легче, чем трансформатор сетевой частоты). На вторичной стороне высокочастотное переменное напряжение снова выпрямляется в постоянное. Этот этап обеспечивает как преобразование напряжения, так и важную гальваническую изоляцию. Некоторые топологии используют высокочастотные изолированные преобразователи DC-DC для этой цели.

• Этап инвертирования выхода: преобразует изолированное напряжение постоянного тока в требуемое напряжение переменного тока сетевой частоты (или другой частоты) для нагрузки. Для приложений с постоянным током на выходе этот этап может быть упрощен или опущен.

Основные особенности и преимущества SST

• Компактность и малый вес: высокочастотные трансформаторы требуют значительно меньше материала сердечника, что исключает необходимость в массивном железном сердечнике. Объем и вес обычно составляют 30%–50% (или менее) от эквивалентных по мощности традиционных трансформаторов.

• Высокая энергетическая плотность: достигается благодаря миниатюризации.

• Высокая удельная мощность: способен обрабатывать большую мощность на единицу объема.

• Широкий диапазон входного/выходного напряжения: гибкие стратегии управления позволяют регулировать коэффициент мощности на входе и выходное напряжение/ток, что делает SST идеальным для интеграции колеблющихся возобновляемых источников (например, фотоэлектрических, ветровых) или сетей распределения постоянного тока. Они могут предоставлять высококачественный, низкоискаженный переменный ток на выходе или стабильный постоянный ток.

• Управляемая электрическая изоляция: помимо базовой изоляции, SST могут ограничивать токи короткого замыкания и обеспечивать улучшенную защиту сети.

• Двунаправленный поток мощности: по своей природе способны к двунаправленному переносу энергии, что идеально подходит для таких применений, как V2G (автомобиль-сети) и системы хранения энергии.

• Интеллектуальное и управляемое: оснащены продвинутыми контроллерами, обеспечивающими:

• коррекцию коэффициента мощности

• регулирование активной/реактивной мощности

• стабилизацию напряжения и частоты

• подавление гармоник

• оперативный мониторинг и защиту

• удаленную связь и координированное управление (идеально для умных сетей)

• Безмасляный и экологически чистый: отсутствие изоляционного масла исключает загрязнение и пожароопасность.

• Снижение потерь меди и железа: высокоэффективные высокочастотные магнитные элементы в сочетании с высокоэффективными полупроводниковыми устройствами (особенно SiC/GaN) обеспечивают системную эффективность, сравнимую или превышающую эффективность высококлассных традиционных трансформаторов.

Проблемы и недостатки SST

• Высокая стоимость: полупроводниковые устройства, высокочастотные магнитные элементы и системы управления в настоящее время значительно дороже, чем железо и медь, используемые в традиционных трансформаторах. Это является самым большим препятствием для широкого распространения.

• Вопросы надежности: полупроводниковые устройства являются потенциальными точками отказа (в сравнении с прочностью обмоток трансформаторов), что требует сложных систем резервирования, термического управления и защиты. Высокочастотное переключение также может вызвать электромагнитные помехи (EMI).

• Проблемы термического управления: высокая удельная мощность создает значительные требования к рассеиванию тепла, что требует эффективных решений охлаждения.

• Высокая техническая сложность: проектирование и производство включают множество дисциплин — силовую электронику, электромагнетизм, науку о материалах, теорию управления и термическое управление, что приводит к высоким барьерам входа.

• Низкая стандартизация: технология все еще развивается, и соответствующие стандарты и спецификации пока не полностью зрелые или унифицированные.

Сценарии применения SST (текущие и будущие)

• Будущие умные сети: распределительные сети (заменяя столбовые трансформаторы), микросети (обеспечивая гибридное соединение AC/DC), энергетические маршрутизаторы.

• Электрифицированный транспорт: сверхбыстрые станции зарядки электромобилей, электрификация железнодорожного тягового питания (особенно в среднем и низком напряжении).

• Интеграция возобновляемых источников энергии: в качестве эффективного, интеллектуального интерфейса для подключения ветроэнергетических и солнечных установок к сети (особенно подходящего для прямого соединения среднего напряжения).

• Центры обработки данных: в качестве компактного, эффективного и интеллектуального узла преобразования мощности, заменяющего традиционные трансформаторы передней части ИБП.

• Специальные промышленные применения: сценарии, требующие высокой управляемости, качественной электроэнергии, ограниченного пространства или частого преобразования мощности.

Заключение

Твердотельный трансформатор (SST) представляет собой революционное направление в технологии трансформаторов. Используя силовую электронику и высокочастотную изоляцию, SST преодолевают физические ограничения традиционных трансформаторов, достигая миниатюризации, легкости, интеллектуальности и многофункциональности. Хотя высокая стоимость, вопросы надежности и техническая сложность в настоящее время ограничивают массовое внедрение, непрерывные достижения в технологии полупроводников (особенно широкозонных устройств, таких как SiC и GaN), магнитных материалов и алгоритмов управления способствуют прогрессу. SST готовы сыграть ключевую роль в создании более гибких, эффективных и интеллектуальных энергетических систем будущего, постепенно заменяя традиционные трансформаторы в высокоценных и специализированных применениях.