Kompletny system wiedzy dotyczący transformatorów półprzewodnikowych (SST).

1. Podstawowa definicja i aliasy

Transformator półprzewodnikowy (SST), nazwany naukowoTransformator energoelektroniczny (PET), znana w branży również jako inteligentna-podstacja półprzewodnikowa lub router energetyczny.

Zasadniczo nie jest to transformator z żelaznym{{0}rdzeniowym rdzeniem, ale modułowe urządzenie energoelektroniczne łączące prostowanie, inwersję, izolację wysokich-częstotliwości i regulację jakości energii. Wykorzystuje półprzewodniki-z szeroką przerwą wzbronioną SiC/GaN do realizacji transformacji napięcia i izolacji poprzez przełączanie-wysokiej częstotliwości, rezygnując z tradycyjnej struktury rdzenia żelaznego-o częstotliwości 50 Hz.

Termin „stan-stały” oznacza brak części obrotowych ani żelaznych rdzeni-zanurzonych w oleju; całe urządzenie składa się w całości z-półprzewodnikowych elementów półprzewodnikowych, co odróżnia je od transformatorów częstotliwości-wypełnionych ciekłym olejem.

2. Zasada działania

Wychodzi ze wzoru na indukcję elektromagnetyczną:

Pole-przekroju poprzecznego rdzenia żelaznegoSjest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości roboczejf.

Tradycyjne transformatory-częstotliwości mocy działają przy stałej częstotliwości 50 Hz i wymagają nieporęcznych żelaznych rdzeni.

SST zwiększa częstotliwość roboczą do20 kHz ~ 200 kHz, zmniejszając objętość elementów magnetycznych do 1/10 ~ 1/5 pierwotnego rozmiaru w celu miniaturyzacji.

Główny trzystopniowy-łańcuch konwersji mocy:

Częstotliwość prądu przemiennego, wysokie-napięcie prądu przemiennego → kontrolowane prostowanie → szyna DC wysokiego-napięcia

Wysokie-napięcie prądu stałego zamienione na prąd przemienny o-wysokiej częstotliwości → izolowana transformacja napięcia za pomocą kompaktowego transformatora-wysokiej częstotliwości

Prąd przemienny o wysokiej-częstotliwości po stronie wtórnej, prostowany/odwrócony → prąd przemienny o niskiej-częstotliwości lub prąd stały o wysokim-natężeniu wyjściowym

Dane techniczne

3. Trzy główne topologie komercyjne

(1) Topologia-trzystopniowa (główny nurt przemysłowy, typ z pełną-funkcją)

Struktura:Stopień prostownika AC/DC + stopień izolacji-wysokiej częstotliwości DC/DC + stopień inwertera DC/AC

Stopień wejściowy: kaskadowy mostek H-(CHB) / wielopoziomowy prostownik MMC-dostosowujący się do sieci średniego-napięciowego 10 kV i 35 kV, stosując korekcję współczynnika mocy i tłumienie harmonicznych;

Stopień izolacji: przetwornik rezonansowy DAB (Dual Active Bridge) / CLLC (stopniowo zastępujący DAB w celu zapewnienia miękkiego-pełnego obciążenia-przełączania i niższych strat) + transformator z nanokrystalicznym rdzeniem magnetycznym o wysokiej-częstotliwości;

Stopień wyjściowy: z możliwością wyjścia prądu przemiennego lub wyjścia magistrali 800 V DC.

Zalety: Szyny prądu stałego występują zarówno po stronie wysokiego, jak i niskiego napięcia, umożliwiając dwukierunkowy przepływ mocy, jednoczesne tłumienie harmonicznych, dostęp do magazynowania energii i adaptację do hybrydowych sieci elektroenergetycznych AC-DC.

Aplikacje: podstacje dystrybucyjne 10 kV, zasilanie centrów obliczeniowych AI, zintegrowane fotowoltaiczne-magazynowe-stacje ładowania.

(2) Topologia-dwustopniowa (lekki i niedrogi schemat-kosztów)

Dwa typy: szyna DC po stronie-wysokiego napięcia lub szyna DC po stronie-niskiego napięcia. Struktura: prostowanie AC/DC + jedno-jednostopniowa izolowana konwersja DC/DC.

Falownik po-stopniowym pominięty jest w celu bezpośredniego wyprowadzania prądu stałego, co zapewnia prostszą konstrukcję i mniejsze straty.

Wada: zakłócenia w sieci łatwo łączą się ze stroną-niskiego napięcia, słaba zdolność regulacji jakości energii.

Aplikacje: ultraszybkie stacje ładowania pojazdów elektrycznych, rozproszone przemysłowe magazyny energii, mikrosieci-niskiego napięcia.

(3) Jedno-jednostopniowa topologia AC-AC z matrycą (najnowocześniejsza-technologia laboratoryjna, niekomercyjna)

Brak pośrednich kondensatorów prądu stałego. Konwerter matrycowy bezpośrednio przekształca prąd przemienny o-częstotliwości energetycznej na prąd przemienny-o wysokiej częstotliwości, a następnie przywraca prąd przemienny o-częstotliwości zasilania po przejściu przez transformator-wysokiej częstotliwości.
Minimalna ilość komponentów i teoretycznie najwyższa gęstość mocy. Jednak bez łączy buforowych prądu stałego wahania sieci mają tendencję do niszczenia urządzeń zasilających, a algorytmy sterowania są niezwykle złożone. Sprawdzone jedynie w badaniach lotniczych.

4. Podstawowy skład sprzętu

Półprzewodniki mocy: Urządzenia głównego nurtu to tranzystory MOSFET SiC 1200 V / 1700 V; Chipy SiC 3,3 kV obsługują scenariusze wysokiego napięcia-35 kV. Tranzystory IGBT oparte na krzemie są wycofywane ze stali SST średniego-napięcia ze względu na wysokie straty przełączania.

Komponenty magnetyczne o wysokiej-częstotliwości: Nanokrystaliczny, amorficzny stop, rdzenie ferrytowe Mn-Zn (zastępujące blachy ze stali krzemowej) z ultra-niskimi-stratami częstotliwości.

System sterowania: Dwu-rdzeniowa architektura DSP+FPGA do współdzielenia napięcia/prądu, regulacji napięcia na poziomie-milisekundowym i blokowania błędów.

Układ chłodzenia: Chłodzenie cieczą zanurzeniową / chłodzenie wodą płyty w przypadku modeli o dużej-mocy; chłodzenie powietrzem dla małych i średnich jednostek.

Jednostka modułowa: Architektura modułowa-będąca standardem branżowym ISOP (Input Series Output Parallel). Jednostki SiC niskiego-napięciowego są połączone szeregowo, aby wytrzymać wysokie napięcie 10 kV; Wadliwe moduły można ominąć bez wyłączania systemu.

5. Porównanie: transformator półprzewodnikowy i tradycyjny transformator-częstotliwości mocy

6.-Dogłębne scenariusze zastosowań

(1) Nowy system zasilania i strona sieci energetycznej

Elastyczna podstacja półprzewodnikowa-

Zastępuje przestarzałe transformatory skrzynkowe-w miastach. Pojedynczy SST łączy w sobie regulację napięcia,-trójfazowe usuwanie asymetrii, filtrowanie harmonicznych i izolację uszkodzeń, rozwiązując problemy takie jak częste niskie napięcie i nadmierny prąd neutralny w starych dzielnicach mieszkalnych. Izoluje zwarcia w ciągu 0,8 sekundy, podczas gdy w przypadku tradycyjnych transformatorów zajmuje to ponad 12 sekund.

Platformy wspomagające morską energetykę wiatrową

Platformy offshore charakteryzują się ograniczoną przestrzenią i wysokimi kosztami budowy. SST zmniejsza objętość o 70%, eliminując kabiny transformatorów-o dużej mocy, aby zmniejszyć koszty budowy obiektów morskich i podnoszenia. Wyjście prądu stałego z morskich turbin wiatrowych można podłączyć bezpośrednio do SST w celu zwiększenia-transmisji.

Wyłączone-mikrosieci

W przypadku odległych wysp, placówek granicznych i polowych baz fotowoltaicznych fotowoltaika + magazynowanie energii + SST tworzą skonteneryzowane systemy zasilania- poza siecią, które automatycznie stabilizują sporadyczne wahania mocy fotowoltaicznej.

(2) Centra obliczeniowe i centra danych (najszybsza skomercjalizowana ścieżka)

SST staje się standardowym rozwiązaniem w zakresie zasilania-prądem stałym o wysokim napięciu 800 V dla klastrów AIDC NVIDIA i Huawei.. 10 Zasilanie miejskie kV łączy się bezpośrednio z SST i przekształca je w napięcie prądu stałego 800 V dla szaf GPU.

Eliminuje 5-stopniowe łącza konwersji (transformator skrzynkowy 10 kV → UPS 400 V AC → prostownik wielostopniowy), zwiększając ogólną wydajność zasilania z 91% do 97,5%.

Prąd w kablach gwałtownie spada, zużycie miedzi spada o 55%, co pozwala na umieszczenie o 30% więcej szaf komputerowych w halach danych.

Wbudowane-interfejsy magazynowania energii łączą akumulatory z szynami prądu stałego, zapewniając płynne przełączanie zasilania i zerowe przestoje w działaniu komputera w przypadku przerw w dostawie prądu.

Projekty pilotażowe są realizowane w klastrze obliczeniowym Guian East-data West-, bazie obliczeniowej Tencent Qingyuan i parku obliczeniowym Alibaba Zhangbei.

(3) Przemysł transportowy

Pokładowe transformatory trakcyjne-dla pociągów dużych prędkości i EZT

Wymiana-pokładowych-transformatorów trakcyjnych-częstotliwości na transformatory SST-o wysokiej częstotliwości zmniejsza masę pojazdu o 40%, zmniejszając zużycie-szyn i zużycie energii pociągu. Energia elektryczna odzyskana podczas hamowania może zostać zwrócona do sieci lub dostarczona do sąsiednich pociągów, zmniejszając całkowite zużycie energii o 10–15%.

Elastyczne zasilanie systemów metra

Na liniach metra w Kantonie i Shenzhen przeprowadzane są pilotażowe prace nad zasilaniem trakcyjnym SST w celu wyeliminowania zanieczyszczeń harmonicznych powodowanych przez działanie metra i recyklingu energii hamowania, zmniejszając o połowę powierzchnię podstacji metra.

Zasilanie z brzegu portu dla statków

Statki na całym świecie przyjmują różne standardy napięcia i częstotliwości (6 kV/10 kV, 50 Hz/60 Hz). SST dostosowuje się do dowolnego napięcia i częstotliwości, aby zapewnić płynne połączenie z siecią dla statków z różnych krajów i uniknąć-przepięć podłączonych do sieci, które mogłyby uszkodzić systemy zasilania statków.

(4) Precyzyjny zasilacz przemysłowy

Warsztaty wytwarzania płytek i litografii dla przemysłu półprzewodników

Sprzęt do litografii i trawienia jest niezwykle wrażliwy na zakłócenia napięcia; wahania napięcia o 0,5% spowodują złomowanie płytki. SST aktywnie izoluje uderzenia pioruna i zakłócenia łuku od sieci, dostarczając czystą energię z całkowitym zniekształceniem harmonicznym (THD) < 2%.

Hutnicze piece łukowe i-przemysłowe magazyny energii na dużą skalę

Huty przechowują energię elektryczną poza-godzinami szczytu i rozładowują ją w okresach szczytu. W połączeniu z dwukierunkową konwersją SST do magazynowania energii-wysokonapięciowej, wydatki na energię elektryczną w przemyśle są zmniejszone.

7. Wąskie gardła industrializacji

Bariera kosztowa
Moduły zasilania SiC-wysokonapięciowego pozostają drogie. Całkowity koszt transformatora SST 10 kV jest 3–6 razy większy niż transformator częstotliwości o równej-mocy-mocy, co nie zapewnia korzyści ekonomicznych dla zwykłych domowych sieci dystrybucyjnych.

Wyzwanie związane z izolacją wysokich-częstotliwości
Pola elektryczne-o wysokiej częstotliwości łatwo powodują wyładowania niezupełne, przyspieszając starzenie się materiałów izolacyjnych pod wysokim napięciem i ograniczając ogólną żywotność, co jest największą trudnością techniczną w przypadku stali-st wysokiego napięcia.

Słaba-wytrzymałość zwarciowa urządzeń
Transformatory-częstotliwości mocy wytrzymują kilkusekundowe-uderzenia zwarciowe, podczas gdy półprzewodniki SiC spalają się w ciągu mikrosekund-w warunkach zwarcia. W systemach sterowania należy instalować wiele-nadmiarowych modułów zabezpieczających i obejściowych, co zwiększa złożoność systemu.

Słaba-wydajność obciążenia światłem
Gdy obciążenie jest mniejsze niż 30% mocy znamionowej, straty przełączania dominują w stratach mocy SST, a wydajność spada poniżej 93%. Z kolei transformatory-częstotliwości mocy utrzymują sprawność powyżej 98% przy niewielkim obciążeniu, co sprawia, że ​​transformatory SST nie nadają się do stosowania w wiejskich stacjach dystrybucyjnych o stale niskim obciążeniu.

Niedojrzały system obsługi i konserwacji
Tradycyjne transformatory posiadają dojrzałe i szeroko rozpowszechnione systemy konserwacji. SST integruje elektronikę mocy, wbudowane sterowanie i-technologię magnetyczną o wysokiej częstotliwości, narzucając wyższe wymagania techniczne personelowi zajmującemu się konserwacją.

8. Przyszłe trendy rozwojowe

Aktualizacja urządzenia: Stopniowe wprowadzanie urządzeń SiC-o wysokim napięciu 3,3 kV i 6,5 kV zmniejsza liczbę-połączonych szeregowo jednostek i upraszcza strukturę SST 10 kV/35 kV; Urządzenia GaN sprawdzają się w zastosowaniach-średniego napięcia-wysokiej mocy.

Iteracja topologii: Topologia rezonansowa CLLC kompleksowo zastępuje DAB, aby rozwiązać problem wysokich strat DAB przy niewielkim obciążeniu. Po rozwiązaniu problemów ze sterowaniem w lekkich scenariuszach lotniczych zostanie zastosowana topologia-jednostopniowego prądu przemiennego-przemiennego.

Wysoka integracja: Elementy zasilania, napędu i czujników są umieszczone w zintegrowanych modułach SiC IPEM, aby jeszcze bardziej zmniejszyć objętość urządzenia.

Różnicowanie zastosowań

W zwykłych miejskich i wiejskich sieciach dystrybucyjnych zachowane zostaną tradycyjne transformatory-częstotliwościowe;

Centra obliczeniowe,-stacje ultraszybkiego ładowania, morskie elektrownie wiatrowe i transport kolejowy będą świadkami popularyzacji SST na-skalę w latach 2028–2032.

Aplikacja sieciowa: Wiele SST tworzy energetyczny klaster internetowy w celu koordynowania obciążeń fotowoltaicznych, magazynowania energii i ładowania w regionalnych sieciach energetycznych.