Analisi dello stato dell'arte e degli sviluppi dei trasformatori a stato solido per applicazioni ferroviarie a bordo veicolo

The work provides an in-depth analysis of Solid State Transformers (SST), also known as Power Electronic Transformers (PET), with particular focus on their potential application onboard AC-powered railway vehicles. The objective is twofold: on the one hand, to offer a comprehensive overview of their operating principles, expected benefits, technological challenges, and future development prospects; on the other hand, to review the design solutions proposed to date by companies active in the sector. The study highlights the theoretical soundness of SST-based solutions, especially when compared with conventional systems composed of Low Frequency Transformers (LFT) and Four-Quadrant Converters (4QC). Expectations regarding the adoption of PET suggest a potential volume reduction between 30% and 50%, accompanied by an increase in power density, with a power-to-weight ratio approximately twice as high as that of traditional technologies (around 1 kVA/kg). Moreover, for this type of converter, the expected efficiency is between 2% and 5% higher than that of solutions using conventional transformers. However, the review of the proposed design solutions reveals the complexities involved in the practical implementation of such systems. In particular, managing high voltages requires the use of multi-level topologies and a large number of power electronic switches, leading to challenges in terms of reliability, maintenance, and costs. Based on the analysis conducted, large-scale adoption of SST systems in the railway sector will likely only be possible with the development of semiconductor devices capable of handling voltages higher than those currently available. Such progress could be accelerated by the growing interest in SST technology from other rapidly expanding industrial sectors, such as smart grids and data centers.

L'elaborato analizza in maniera approfondita i Solid State Transformer (SST), noti anche come Power Electronic Transformer (PET), con particolare attenzione al loro potenziale impiego a bordo dei veicoli ferroviari alimentati in corrente alternata. L'obiettivo è duplice: da un lato, fornire una panoramica completa del principio di funzionamento, dei vantaggi attesi, delle sfide tecnologiche e delle prospettive di sviluppo future; dall'altro, analizzare le soluzioni progettuali proposte fino ad oggi dalle aziende operanti nel settore. L'elaborato evidenzia la solidità teorica delle soluzioni basate su SST, specialmente se confrontate con i gruppi convenzionali costituiti da Low Frequency Transformer (LFT) e Convertitore Quattro Quadranti (4QC). Le aspettative relative all'impiego dei PET indicano una possibile riduzione del volume compresa tra il 30% e il 50%, accompagnata da un incremento della densità di potenza, con un rapporto potenza/peso pari al doppio rispetto alle tecnologie tradizionali (circa 1 kVA/kg). Inoltre, per questa tipologia di convertitori, l'efficienza prevista risulta superiore di un valore compreso tra il 2% e il 5% rispetto alle soluzioni con trasformatori convenzionali. Tuttavia, lo studio delle soluzioni progettuali proposte ha messo in luce le complessità legate alla realizzazione pratica di tali sistemi. In particolare, la gestione delle alte tensioni richiede l'impiego di topologie multi-livello e un elevato numero di interruttori elettronici, con conseguenti sfide in termini di affidabilità, manutenzione e costi. Risulta pertanto, sulla base dell'analisi condotta, che l'adozione su larga scala dei sistemi SST in ambito ferroviario sarà probabilmente possibile solo con lo sviluppo di dispositivi semiconduttori in grado di gestire tensioni superiori a quelle oggi disponibili. Tale progresso potrebbe essere accelerato dall'interesse verso la tecnologia SST da parte di altri settori industriali in rapida espansione quali le smart grid e i data center.