Dizajn štiriporne tranzistorje solidnega stanja: učinkovita integracijska rešitev za mikromreže

Uporaba močnih elektronik v industriji se povečuje, od malomščnih aplikacij, kot so napajalniki za baterije in gonilniki za LED svetila, do velikih aplikacij, kot so fotovoltaični (PV) sistemi in električna vozila. Tipično močni sistem sestavlja tri dele: elektrarne, prenosni sistemi in distribucijski sistemi. Tradicionalno se nizkofrekvenčni transformatorji uporabljajo z dvema namenoma: električna izolacija in prilagoditev napetosti. Vendar so 50-/60-Hz transformatorji obsežni in težki. Močni pretvorniki se uporabljajo za omogočanje združljivosti med novimi in obstoječimi močnimi sistemi, ki izkoriščajo koncept pevnih stanjnih transformatorjev (SST). Z uporabo visokofrekvenčne ali srednjofrekvenčne močne pretvorbe SST-ji zmanjšajo velikost transformatorja in ponujajo višjo gostoto moči glede na tradicionalne transformatorje.

Napredek v magnetnih materialih, ki imajo visoko tokovno gosto, visoko frekvenčno zmogljivost in nizke močne izgube, je omogočil raziskovalcem, da razvijajo SST-je z visoko gostoto moči in učinkovitostjo. V večini primerov so se raziskave osredotočale na tradicionalne transformatorje z dvojnimi viličnimi nakladi. Vendar pa je narast integracije porazdeljenega generiranja skupaj s razvojem pametnih omrežij in mikro omrežij vodila do koncepta večvrstvičnih pevnih stanjnih transformatorjev (MPSST).

Na vsakem priključku pretvornika se uporablja pretvornik z dvojnim aktivnim mostom (DAB), ki izkorišča iztekanje induktance transformatorja kot induktor pretvornika. To zmanjša velikost, ker ni potrebno dodatnih induktorjev, in tudi zmanjša izgube. Iztekanje induktance je odvisno od postavitve navojev, geometrije jedra in koeficienta povezanosti, kar črpa transformatorsko dizajn bolj kompleksen. Za regulacijo pretoka moči med priključki se v DAB pretvornikih uporablja fazni premik. Vendar pa v MPSST-ju fazni premik na enem priključku vpliva na pretok moči na drugih priključkih, kar z večanjem števila priključkov poveča kompleksnost kontrole. Zaradi tega se večina raziskav MPSST-ja osredotoča na sisteme s tremi priključki.

Ta članek se osredotoča na dizajn pevnega stanja transformatorja za uporabo v mikro omrežjih. Transformator združuje štiri priključka na enem magnetnem jedru. Deluje na preklopni frekvenci 50 kHz, z vsakim priključkom ocenjenim na 25 kW. Konfiguracija priključkov predstavlja realističen model mikro omrežja, ki vključuje omrežje električne energije, sistem shranjevanja energije, fotovoltaični sistem in lokalno obremenitev. Omrežni priključek deluje na 4.160 VAC, medtem ko drugi trije priključki delujejo na 400 V.

Štiripriklučni SST

Dizajn transformatorja

Tabela 1 prikazuje različne pogosto uporabljane materiala za izdelavo jedra transformatorja, skupaj s prednosti in slabostmi. Cilj je izbrati material, ki lahko podpira 25 kW na priključek pri delovni frekvenci 50 kHz. Komercialno na voljo materiali za jedro transformatorja vključujejo silikonsko jeklo, amorfni zličnik, ferit in nanokristalni. Za ciljno uporabo - štiripriklučni transformator, ki deluje na 50 kHz z 25 kW na priključek - mora biti izbran najustreznejši material jedra. S analizo tabele sta nanokristalni in ferit izbrana kot potencialni kandidati. Vendar pa nanokristalni pri preklopnih frekvencah nad 20 kHz kaže večje močne izgube. Zato je končno izbran ferit kot material jedra za transformator.

Različni materiali jedra in njihove lastnosti

Dizajn jedra transformatorja je tudi ključen, saj vpliva na kompaktnost, gostoto moči in celotno velikost, toda najpomembneje vpliva na iztekanje induktance transformatorja. Za 330-kW, 50-Hz transformator z dvema priključkoma so bile primerjane oblike jedra, kot so oblika z jedrom in oblika s skorjo, ki je pokazala, da oblika s skorjo ponuja manjše iztekanje induktance in gladkejši pretok moči. Zato bo uporabljena oblika s skorjo, z vsemi štirimi navoji stakiranimi koncentrično na srednji člen transformatorja, s tem pa se izboljša koeficient povezanosti.

Oblika s skorjo meri 186×152×30 mm, in uporabljeni feritni material je 3C94 v konfiguraciji 4xU93×76×30 mm. Navoje za srednje napetosti (MV) in visok tok so navorani s Litz žico, ocenjeno na 3,42 A in 62,5 A, razen toliko. Za nizkonapetostne (LV) priključke se uporabljata 16 AWG in 4 AWG žice. Skrivanje LV navojev skupaj dodatno izboljša magnetno povezanost.

Po zaključku predlaganega dizajna MV MPSST-ja so izvedene simulacije z Maxwell-3D/Simplorer. Napetosti priključkov za omrežje srednje napetosti, shranjevalni sistem, obremenitev in fotovoltaični sistem so nastavljene na 7,2 kVDC in 400 VDC, ustrezno. Simulacije so izvedene pod polnim obremenitvijo, pri čemer port obremenitve prenaša 25 kW pri preklopni frekvenci 50 kHz in 50% dolžini impulza. Kontrola moči je dosežena z urejanjem faznega pomika med celicami pretvornika. Rezultati so predstavljeni v tabeli. Različni modeli kažejo različne značilnosti, kot so oblika jedra, prečni prerezi, izgube in prostornina. Kot je prikazano v tabeli, model 7 kaže manjše iztekanje induktance in višjo učinkovitost.

Model in rezultati simulacije

Eksperimentalna oprema

Jedro je zgrajeno s štirimi U-oblikovanimi jedri, sestavljenimi v en sloj. Polno jedro sestavlja tri sloje z navoji, postavljeni na srednji člen. Tri nizkonapetostne (LV) portne navoje so naviti skupaj, da bi izboljšali povezanost. Pretvornik z dvojnim aktivnim mostom (DAB) je zasnovan za testiranje predlaganega transformatorja. V zasnovu pretvornika so uporabljeni SiC MOSFET-i. Za priključek srednje napetosti (MV) je implementiran pravokotni most z SiC diodami, ki je tudi povezan s protivlomskim obremenitvenim bankom, ocenjenim za obdelavo 7,2 kV.

Zaključek

Ta članek se osredotoča na dizajn štiripriklučnega srednje napetostnega večvrstvičnega pevnega stanja transformatorja (MV MPSST), ki omogoča združevanje štirih različnih virov ali obremenitev v mikro omrežnih aplikacijah. Eden od priključkov transformatorja je srednje napetostni (MV) priključek, ocenjen na 4,16 kV AC. Pregledani so bili različni modeli transformatorjev in materiali jedra. Poleg dizajna transformatorja so bili razviti testni postopki za MV in LV priključke. V eksperimentalni validaciji je bil dosežen učinkovitost 99 %.