Principio di funzionamento del sottomodulo del trasformatore modulare a stato solido

Un trasformatore a stato solido (SST), noto anche come trasformatore elettronico di potenza, è diverso dai tradizionali trasformatori a frequenza di linea che funzionano su campi magnetici a 50 Hz. È un dispositivo di conversione di potenza controllabile composto da convertitori elettronici di potenza e trasformatori ad alta frequenza. I trasformatori di frequenza di linea convenzionali trasformano solo passivamente la tensione in base al rapporto spire. Oltre all'isolamento galvanico e alla conversione della tensione, gli SST forniscono funzionalità di controllo digitale tra cui flusso di potenza bidirezionale, regolazione della tensione, soppressione delle armoniche e compensazione della potenza reattiva, fungendo da router di potenza nelle reti intelligenti.

Configurazione della scheda

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Architettura complessiva del sottomodulo

Ciascun sottomodulo è costituito da due sezioni hardware principali: un'unità di conversione CA-CC ad alta tensione e un'unità CC-CC isolata ad alta frequenza DAB. Per le applicazioni di rete a media tensione come i sistemi a 10 kV, più sottomoduli sono collegati in serie ai rispettiviTerminali lato CAper condividere la tensione di rete totale. Ciascun sottomodulo possiede un collegamento CC intermedio indipendente, isolato galvanicamente dagli altri senza accumulo di tensione CC. Tutte le uscite CC a bassa tensione dei convertitori DAB sono collegate in parallelo per formare un bus CC unificato a bassa tensione.

Diagramma a blocchi

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Fase 1: conversione AC‑DC bidirezionale con ponte H

Il ponte H monofase lato ingresso è costituito da quattro interruttori di alimentazione SiC, induttori boost e condensatori del collegamento CC, che implementano una topologia Boost‑PFC bidirezionale che opera a una frequenza di commutazione a livello di kilohertz. Supporta sia la rettifica che l'inversione inversa della griglia.

Nella modalità di rettifica, il sottomodulo riceve tensione CA a frequenza di rete divisa. La commutazione PWM ad alta velocità degli interruttori a ponte H coopera con induttori boost per immagazzinare e rilasciare energia del campo magnetico, convertendo la frequenza di rete CA in tensione di collegamento CC intermedia stabilizzata. Questa fase realizza anche la correzione del fattore di potenza, garantendo la corrente sinusoidale lato rete e la soppressione delle armoniche. Va notato che la tensione del collegamento CC deve superare il valore di picco della tensione CA in ingresso per soddisfare le condizioni di funzionamento boost.

Durante il funzionamento con alimentazione inversa, il ponte H funziona come un inverter. Converte l'energia immagazzinata sul collegamento CC intermedio in CA a frequenza di rete immessa nella rete pubblica. La produzione di potenza reattiva è ottenibile anche per la regolazione della qualità dell’energia della rete.

Conversione CA‑CC

Fase 2: conversione DC-DC isolata ad alta frequenza con doppio ponte attivo DAB

Come nucleo isolante del sottomodulo, il DAB comprende un ponte intero sul lato primario, un trasformatore ad alta frequenza e un ponte intero sul lato secondario. Funziona a centinaia di kilohertz con capacità di potenza bidirezionale nativa.

Inversione del ponte intero sul lato primario: Traendo energia dal collegamento CC intermedio del ponte H precedente, il SiC trasforma la tensione CC in onde quadre CA ad alta frequenza la cui ampiezza è uguale alla tensione del collegamento CC, alimentando l'avvolgimento primario del trasformatore ad alta frequenza. I trasformatori non possono condurre corrente continua; solo la tensione alternata ad onda quadra stabilisce campi magnetici alternati all'interno del nucleo per il trasferimento di energia. Il funzionamento ad alta frequenza consente nuclei del trasformatore più piccoli e consente la commutazione a tensione zero (ZVS) per ridurre le perdite di commutazione.

Trasformatore ad alta frequenza per trasformazione di tensione e isolamento galvanico: Alimentato da onde quadre ad alta frequenza, il trasformatore altera l'ampiezza della tensione in base al rapporto di avvolgimento dell'avvolgimento e fornisce un isolamento galvanico completo tra i domini primario ad alta tensione e secondario a bassa tensione.Il rapporto di conversione della tensione è determinato dal rapporto di trasformazione del trasformatore anziché dal controllo dello sfasamento. L'induttanza di dispersione intrinseca del trasformatore viene utilizzata come induttore di trasferimento di potenza in serie per il DAB.

Rettifica attiva a ponte intero sul lato secondario: Il ponte intero sul lato secondario elabora la tensione ad onda quadra ad alta frequenza fornita dal trasformatore. A differenza del rettificazione a diodi passivi, il ponte intero attivo controlla con precisione i tempi di commutazione del SiC. Sia che l'onda quadra sia in semiciclo positivo o negativo, l'energia CA alternata viene convertita in corrente di carica per i condensatori di uscita. I condensatori di uscita filtrano le ondulazioni ad alta frequenza e producono un'uscita CC uniforme a bassa tensione.

Per il flusso di potenza inversa, il ponte intero sul lato secondario agisce come un inverter, tagliando la corrente continua a bassa tensione in onde quadre ad alta frequenza inviate al secondario del trasformatore. L'energia viene potenziata dal trasformatore, quindi ricostruita in tensione CC intermedia dal ponte intero sul lato primario.

Il DAB adotta il controllo SPS (Single Phase Shift). Entrambi i ponti interi sul lato primario e su quello secondario generano forme d'onda quadra con rapporto di servizio del 50%. Il controller regola la differenza dell'angolo di fase tra i due set di forme d'onda. L'ampiezza dello sfasamento controlla l'ampiezza della potenza trasmessa, mentre la polarità dello sfasamento determina la direzione del flusso di potenza.Lo sfasamento regola solo la potenza e non può raggiungere un ampio intervallo di regolazione della tensione di uscita a stato stazionario. Forzare la tensione di uscita lontano dal punto di funzionamento nominale corrispondente al rapporto spire farà perdere le condizioni ZVS, introdurrà una corrente circolante elevata e causerà un grave surriscaldamento del dispositivo. Per modificare la tensione di uscita nominale, è necessario riprogettare il rapporto di trasformazione del trasformatore ad alta frequenza.

TAMPONARE

Ridimensionamento del sistema e vincoli ingegneristici

Nelle applicazioni a media tensione e ad alta potenza, la scalabilità di tensione e potenza è realizzata da più sottomoduli con ingressi CA collegati in serie e uscite CC collegate in parallelo. La tensione comune del bus a bassa tensione dei sottomoduli in parallelo è bloccata dal rapporto di rotazione del trasformatore DAB. Quando la tensione di uscita target si discosta dalla tensione di uscita DAB intrinseca, esistono due soluzioni pratiche:

Conservare l'hardware originale e aggiungere un convertitore DC‑DC extra non isolato per lo step-down post‑regolazione;

Riprogetta il trasformatore ad alta frequenza, verifica nuovamente lo stress dei componenti e risintonizza gli algoritmi di controllo per una modifica DAB profonda.

Perché SST raggiunge dimensioni compatte

I trasformatori di distribuzione convenzionali funzionano con una frequenza di linea di 50 Hz e richiedono un'ampia sezione trasversale del nucleo magnetico per fornire la potenza nominale. Secondo i principi elettromagnetici:per una data potenza nominale, una frequenza operativa più elevata riduce il volume e il peso del nucleo richiesti.

Invece di pilotare direttamente il trasformatore di isolamento con una tensione di rete di 50 Hz, l'elettronica di potenza SST converte la potenza a frequenza di rete in tensione a onda quadra ad alta frequenza di centinaia di kHz che alimenta il trasformatore di isolamento ad alta frequenza. Rispetto alla frequenza di rete, la frequenza operativa aumenta di migliaia di volte, quindi il volume e il peso dei componenti magnetici ad alta frequenza possono essere ridotti di oltre dieci volte.

N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax )

k - Rapporto tra il tempo massimo di accensione- e il periodo di commutazione, in genere k=0.4;

U - Tensione di ingresso dell'avvolgimento primario (V), approssimativamente uguale alla tensione di ingresso CC;

f - Frequenza operativa del trasformatore (kHz);

Ae - Area effettiva della sezione-trasversale del nucleo magnetico (cm²);

Bmax - Oscillazione massima consentita della densità del flusso magnetico (G).

Svantaggi intrinseci

I dispositivi a semiconduttore in grandi quantità comportano un'elevata complessità hardware e costi più elevati rispetto ai trasformatori convenzionali. La commutazione ad alta frequenza produce interferenze elettromagnetiche (EMI), imponendo requisiti rigorosi sul layout del PCB, sulla progettazione dei componenti magnetici e sulla gestione termica. Pertanto l'SST non sostituirà completamente i trasformatori di frequenza di linea e viene applicato principalmente in scenari di nuovi sistemi di alimentazione che richiedono ingombro compatto, flusso di potenza bidirezionale, interfacce CC e controllo attivo della qualità della potenza.