變壓器的演變：固態電力電子技術將把19世紀的技術帶入21世紀

在我們的電網中，變壓器的重要性不言而喻。它們無處不在：在電力桿和電力架上，在變電站和私人院內，在地上和地下。僅僅在你周圍可能就有幾十個變壓器。很難想像沒有變壓器的世界會怎樣。但我和同事正在改變這種狀況。

在輸配電系統中，變壓器通常處理千伏級別的中等或「一次」電壓，並將其轉換為二次電壓，例如120、240或480伏，使之可以穩定地被輸送給世界各地的家庭和商業場所。這是在1892年交流電佔據優勢之前就使用的一種方法。很難再找出另一種能如此長期存在的電力技術了。

但是，現在是開始思考如何超越傳統變壓器的時候了。一方面，變壓器體積龐大。它們經常用石油冷卻，而石油可能會發生泄漏，很難安全處置。更重要的是，變壓器是被動的單向設備。它們的設計不能適應快速變化的負載。隨著各類分散式電源（風力發電機、太陽能電池板和電動車輛蓄電池等）為電網提供越來越多的電能，這種缺點將很快變得令人難以容忍。

令人高興的是，能夠解決所有這些局限性的一項新技術已經取得了重大進展。得益於電力電子技術的最新進展，我們現在可以考慮建造智能高效的「固態變壓器」（SST）了。這種新型變壓器有望完成傳統變壓器難以處理的任務，例如，在微電網和主電網之間管理高度變化的雙向電流；可模塊化搭建，便於運輸和安裝；並且明顯比同等的傳統變壓器小——重量只有傳統變壓器的一半，而體積是傳統變壓器體積的1/3。

在短期內，固態變壓器可能會被用於進行災後恢復，替代受損的電氣基礎設施；還會被用在海軍艦艇等對體積和重量要求較高的地方。將來，這種變壓器可能會重新定義電網，創建出能夠適應大量可再生和可儲存電能的配電系統，大大提高電網的穩定性和能源效率。

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交流電網採用數十萬伏的電壓長距離傳輸電力。但隨著電流越來越接近負載，電壓需要再次降下來。因此，整個電網中都會使用變壓器來提高發電廠電力的電壓，以實現電力的高效傳輸；並在分配端將電壓降下來，使其達到電廠、企業和家庭的適用水平。

多年來，雖然變壓器已經有了很多次改進，但它本質上還是19世紀的技術——簡單地利用電磁原理。在最基本的變壓器中，磁芯上纏有兩個線圈。由於通過一個線圈（一次線圈）的交流電會隨時間變化，在磁芯中產生的磁場也會隨時間變化。這種變化的磁場又在另一個線圈（次級線圈）中引起交流電和電壓的產生。輸入（或一次）電壓與輸出（或二次）電壓的比值由一次和二次線圈的匝數比決定。

變壓器有很多優良特性。它高效耐用，還有一項非常有用的特性，被稱為「電氣隔離」。由於變壓器的輸入側和輸出側僅通過磁場連接，因此電流無法直接在組件內從一次電壓轉變為二次電壓。這種隔離是一種重要的安全功能，有助於防止高壓電力到達不應該到達的地方。

一些變壓器能夠處理一定範圍內的變化。配電變壓器可以配備一個調壓抽頭，該調壓抽頭能夠在線圈的不同部分之間機械地滑動，以減少或增加匝數，從而通過降低或升高電壓，對大的負載變化做出響應。

但這些配備有調壓抽頭的變壓器不太適合當今可能頻繁發生的劇烈電壓變化。幾年前調壓抽頭的位置每天只改變一兩次，而現在通常每天會改變十幾次，因而更容易磨損。

如果我們能夠設計出一款無須使用機械工具來調整電壓的變壓器，就可以在配電設施中節省大筆費用。天然的解決方案自然是應用最合適的技術——電力電子技術。

事實上，一些工程師正在研究一種「混合變壓器」理念，這種變壓器增加了電力電子設備來協助控制電壓。但是，如果我們想要建造更強大的電子配電變壓器，則需要新型高壓半導體元件。直到最近，仍然沒有滿足各項特性的變換器可用。

例如，可控硅整流器可用於構建連接高壓線路的變換器。但這種變換器會佔用很大空間。這是因為可控硅整流器並不是針對高頻操作設計的。頻率越低，就需要越大的系統無源元件——特別是電感器和電容器。可以將這些元件視為充電存儲設備；頻率越低，承載充電電流需要的時間越長，也意味著這些元件會相當大。

電力電子設備的主力型開關——硅基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一個更合適的選擇。這些器件已用於歐洲鐵路設施中的固態變壓器。而且它們速度很快。不過最好的這類商用器件也只能承受最高6.5千伏的電壓。雖然這種擊穿電壓對於某些電力應用來說是完美的，但是要處理配電變壓器的電力並不夠；在美國，低壓端的常用電壓為7.2千伏。

當然，如果串聯幾個IGBT，就可以建造能夠處理這種電壓的固態變壓器。但是，細微的製造差異意味著每個IGBT的開關電壓可能略有不同，也意味著一些晶體管將會更早地進行開關，承受更多的負載。電容器可以協助進行電壓平衡，但結果會導致體積龐大、效率低、可靠性差且更昂貴。

幸運的是，硅元件並不是唯一的選擇。最近10年來，化合物半導體（特別是碳化硅）開關的開發已經取得了長足的進步。碳化硅具有更大的帶隙——指從絕緣體轉換為導體必須克服的能量阻隔——因此具有一系列重要屬性。碳化硅的帶隙為3.26電子伏，而硅的帶隙為1.1電子伏，這意味著與硅材料相比，這種材料可以在更強的電場和更高的溫度下安全工作。而且由於這種合成半導體材料可以承受更高的電壓，所以用其製造的功率晶體管結構更緊湊，因而比硅基晶體管的開關速度更快。更快的開關速度降低了能量損耗，因此碳化硅晶體管可以在給定的發熱量下承載更大的電流。

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受到碳化硅器件進展以及美國電力研究所資助的相關研究的啟發，我們在美國北卡羅來納州立大學的課題組在2007年獲得了美國國家科學基金的資助。我們用這筆資金啟動了未來可再生電能傳輸及管理（FREEDM）系統中心的研究，目的是完善我們對電網進行現代化改造所需的技術，使其更安全、更可靠、更環保。

對於該中心來說，固態變壓器是一個很大的優勢，我們的目標是提供單相和三相配電變壓器。為了理解其中的差異，在這裡介紹一點背景知識。從變電站流出的電能通常由3條電線承載，每條電線相對於另外2條電線承載交流電的相位差為120度。這些電線可以分離並通過單相變壓器（與中性線一起）單獨傳輸，向居民區提供低壓供電；也可以合併為三相饋線，連接到具有較大用電需求的地方，如數據中心、工廠、辦公樓和商場。

在FREEDM，我們開始研究用於處理低電壓的單相固態變壓器。這種變壓器在某些方面類似於開關式電源，現在此類電源在筆記本電腦和其他設備中廣泛使用，已無處不在。

我們採用3個模塊構建固態變壓器。第一個模塊稱為前端變換器，將7.2千伏的交流電轉換為直流電（由於我們設計的特點，直流電具有較高電壓）。交流-直流轉換是由一組功率晶體管實現的。前期採用硅IGBT完成。在第二個固態變壓器中，我們採用了早期的碳化硅開關——碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。

將輸入電流——在美國為60赫茲的交流電——轉換為直流電，需要兩組互補的晶體管。一組晶體管在接入的交流電為正電壓時工作，另一組晶體管在輸入的交流電為負電壓時工作。由於晶體管的連接方式，無論輸入電流的電壓如何，電荷都會存儲在電容器上，並穩定放電形成直流電。為了適用高頻運行，我們使用晶體管代替傳統的二極體來執行整流過程。這樣我們可實現對正弦輸入電流的精細整流，不會注入雜訊和引入有害的諧波，否則會影響電壓和電流正弦波的純度，產生不可用能量並發熱。

在第二個模塊中，另一組晶體管將輸入的直流電轉換成頻率為千赫茲的交流電。然後該電流通過傳統高頻變壓器，將電壓降低，例如降至800伏。

為什麼會形成高頻？基本上，變壓器的尺寸與其應當轉換的電壓頻率成反比。頻率越高，變壓器越小，因此效率越高。電壓降低後，採用一組低電壓的器件將此高頻交流電轉換成直流電。

第三個模塊是逆變器，它使用另一組晶體管將直流電轉換成具有市電頻率的交流電，然後將其安全地提供給終端用戶。

我們設計並構建第一個單相固態變壓器設計是為了發現硅的局限性；第二個是為了試驗碳化硅的能力。如果對「碳化硅比硅性能優異」存在疑問，比較兩個固態變壓器就能找到答案。我們的硅基變壓器需要3組串聯的硅IGBT組合，將7.2千伏的輸入電壓轉換成標準的120和240伏輸出電壓，頻率只能達到3千赫。在這個頻率下，傳統的變壓器較小，但我們需要3台。而碳化硅變壓器可以使用一組晶體管完成同樣的任務，並且可以在20千赫的頻率下工作，在這個頻率下，我們在第二個模塊中使用的變壓器尺寸只有傳統60赫茲變壓器尺寸的20％。總之，我們的單相碳化硅固態變壓器尺寸只有相應傳統變壓器的1/3。

所以，我們只是用具有很多昂貴電氣器件的較小變壓器取代了一個大的變壓器嗎？不完全是。像混合變壓器一樣，我們構建的變壓器可以自動快速應對更大範圍內的電壓變化，無須使用機械調壓抽頭。而且該變壓器也是一種智能能源管理設備，可以處理各種負載和電源，與傳統變壓器或混合變壓器相比，提供了更高的靈活性和可恢復性。

使用三模塊的方法，蓄電池和可再生能源可以直接連接到固態變壓器中央模塊的一側。因此，這些能源具有可以與電網直接連接的直流電介面。當太陽能電池板、風力發電機，以及類似泵浦電能接入電網時，這種方法將顯著降低能量損耗，因為它們產生的電力不需要為了通過臨近的變壓器而轉換為交流電。

單相固態變壓器研究促使我們進一步構建三相固態變壓器。這意味著構建的變壓器可以處理從變電站延伸出的或沿著配電電路輸電的所有三相線路。通常輸入電壓為13.8千伏，輸出電壓為工業和商業用的480伏。

當電壓較高時，碳化硅MOSFET並不是最佳選擇；當電流流過時，它會損耗大量電能，而且電壓和溫度越高，損耗就越大。幸運的是，我們大學附近的企業合作夥伴科銳公司一直在研究碳化硅IGBT。這些碳化硅IGBT在開關時會比MOSFET損耗更多能量，但是相同的面積可以通過更多的電流，因此更加緊湊。

2010年，美國能源部先進能源研究計劃署為我們團隊提供了420萬美元的資助，以利用這些設備建造三相固態變壓器。我們稱該項目為無變壓器智能變電站（TIPS）。我承認這個名稱有點奇怪：TIPS不是一個變電站，也並非沒有變壓器。但是，名稱中有「變電站」是因為我們想強調固態變壓器的功能可以非常智能和強大；而「無變壓器」實際上是指以相當高的頻率工作、較少使用傳統變壓器技術的理念。

通過這麼多不同的轉換步驟，你可能會認為，固態變壓器（如TIPS）比傳統變壓器的效率低得多。但實際上它們表現相當不錯。今天的變壓器，在滿負荷工作時，效率超過了99％，電能損耗不足1％。但是，在30％~50％的負荷下工作時，變壓器的效率會下降到95％。相比之下，無論負載如何，我們都期望像TIPS這樣的固態變壓器效率可以達到98％。此外，通過流暢地調節電壓，固態變壓器可以減少對提升電流的依賴，這是今天仍在使用的一種非常低效的補救措施，是為了確保即使線路上電壓下降，也有足夠的功率輸送給用戶。

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我們不是建造固態變壓器的唯一團隊。但是通過TIPS，我們能夠證明碳化硅IGBT可以帶來什麼：一種新型三相變壓器，緊湊且能力超群。

廣泛採用仍然存在一些障礙。一是承受極端條件的能力。傳統的變壓器可以承受雷擊、浪涌和過熱而不會發生故障。但是電力電子器件的耐用度要低得多；晶體管很小，熱慣性小，這意味著它們幾乎立刻就會發熱。安裝在固態變壓器高壓側的壓敏電阻和浪涌吸收器有助於補償這一局限性。

另一個障礙是成本問題。我們用來製造TIPS的碳化硅IGBT為實驗器件，市場上無法買到。科銳、通用電氣、英飛凌、三菱和羅姆等公司正在開發這些器件。而科銳已經做出了20和24 千伏的器件。這些更高的額定電壓可能使固態變壓器需要的器件更少，從而節省成本和空間。但碳化硅IGBT仍處於早期開發階段，其商業化在一定程度上取決於實際情況，如無缺陷產品的製造能力。碳化硅IGBT走向成熟並以低成本生產有價格競爭力的固態變壓器可能還需要幾年時間。

與此同時，我們的團隊已經獲得了重大支持，可以研究如何使用更成熟的10千伏碳化硅MOSFET來構建固態變壓器了。這些晶體管必須串聯連接以承受三相配電電壓，並且它們將不如IGBT那樣有效。但是，這仍然提供了一個方法，讓我們可以實現具備上述全部智能和功能，且比當前變壓器更小的固態變壓器。

你可能已經注意到，如果去掉TIPS的外部模塊，就可以使用直流-直流變換器。如果在電力領域早期有這樣的變換器，托馬斯?愛迪生的直流配電方案或許就可以與尼古拉?特斯拉的交流配電方案一較高下了。在過去的幾年裡，這場古老的競爭再次出現。直流輸電預示著長距離配電損耗更少。而工程師正在考慮使用直流微電網，以便更有效地為直流電氣用具和日常小家電進行供電。我們現在可以用效率滿足此類微電網要求的硅電力電子器件製造直流-直流變換器；用碳化硅製造的這種變換器可能會有更高的效率和更廣泛的應用。

這些想法並不新穎。但是，在我們想盡辦法充分利用能源資源的當下，它們呈現出了新的緊迫感。固態變壓器為我們電力應用的顯著改變提供了一種方式。這種改變的影響不會像過去50年中電子產品的巨大飛躍那樣充滿魅力且顯而易見，使我們的日常生活出現革命性變化。但它會對我們電力設施的穩定性和效率產生深遠的影響，最終，將會引領電力行業進入電子時代。

作者：Subhashish ， Bhattacharya

>>>本文為原創，轉載請回復。

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