تحديات التصميم في أنظمة الطاقة والتهوية المساعدة SST
اثنان من الأنظمة الفرعية الحرجة والمعقدة في تصميم المحول الثابت (SST)
وحدة الطاقة المساعدة ونظام إدارة الحرارة.
على الرغم من أنهما لا يشاركان مباشرة في التحويل الرئيسي للطاقة، إلا أنهما يعملان كـ "خط الحياة" و "الحارس" لضمان التشغيل المستقر والموثوق به للدارة الرئيسية.
وحدة الطاقة المساعدة: "emaker القلب" للنظام
توفر وحدة الطاقة المساعدة الطاقة لـ "المخ" و "الأعصاب" للمحول الثابت بأكمله. تحدد موثوقيتها بشكل مباشر ما إذا كان النظام يمكن أن يعمل بشكل طبيعي.
I. التحديات الأساسية
عزل الجهد العالي: يجب أن تستخرج الطاقة بأمان من الجانب ذو الجهد العالي لتزويد دارات التحكم والمحرك على الجانب الأولي، مما يتطلب أن يكون للوحدة الكهربائية قدرة عزل كهربائي عالية جدًا.
مقاومة قوية للتشويش: تولد الدارة الرئيسية للطاقة التبديل ذات التردد العالي (من عشرات إلى مئات الكيلو هرتز) فروقات جهد كبيرة (dv/dt) وتداخل كهرومغناطيسي (EMI). يجب أن تحتفظ وحدة الطاقة المساعدة بخرج مستقر في هذا البيئة القاسية.
Outputs متعددة ودقيقة:
طاقة محرك البوابة: توفر طاقة معزولة لمحركات البوابة لكل مفتاح قوة (مثل SiC MOSFETs). يجب أن يكون كل خرج مستقل ومعزول لمنع التداخل الذي قد يؤدي إلى أعطال.
طاقة لوحة التحكم: تزوّد المتحكمات الرقمية (DSP/FPGA)، والأجهزة الاستشعارية، ودوائر الاتصال، بقوة نظيفة ومنخفضة الضوضاء.
II. أساليب استخراج الطاقة وتصميم النموذجية
استخراج الطاقة ذات الجهد العالي: استخدام مصدر طاقة تبديل معزول (مثل محول flyback) لاستخراج الطاقة من الإدخال ذو الجهد العالي. هذا هو الجزء الأكثر تحدياً تقنياً ويحتاج إلى تصميم متخصص.
وحدات DC-DC المعزولة متعددة الخرج: بعد الحصول على مصدر طاقة معزول أولي، يتم عادة استخدام وحدات DC-DC المعزولة المتعددة لتوليد الجهد المعزول الإضافي المطلوب.
تصميم الازدواجية: في التطبيقات ذات الموثوقية العالية للغاية، قد يتم تصميم وحدة الطاقة المساعدة مع ازدواجية لضمان إيقاف آمن أو التحويل السلس إلى مصدر طاقة احتياطي في حالة حدوث فشل رئيسي.
نظام إدارة الحرارة: "مبرد الهواء" للنظام
يحدد نظام إدارة الحرارة كثافة الطاقة وقدرة الإخراج ومدة حياة المحول الثابت (SST).
لماذا هو مهم جداً؟
كثافة طاقة عالية جدًا: من خلال استبدال المحولات ذات التردد الخطي الضخمة، يقوم SST بتجميع الطاقة في وحدات قوة أصغر بكثير، مما يؤدي إلى زيادة حادة في معدل التدفق الحراري (الحرارة المنبعثة لكل وحدة مساحة).
حساسية درجة حرارة الأجهزة شبه الموصل: على الرغم من أن أجهزة الطاقة SiC/GaN تقدم كفاءة عالية، إلا أنها لها حدود صارمة لدرجة الحرارة في الوصلة (عادة 175 درجة مئوية أو أقل). يؤدي التسخين الزائد إلى تدهور الأداء وتقليل الموثوقية أو الفشل الدائم.
تأثير مباشر على الكفاءة: يؤدي التبريد السيء إلى زيادة درجة حرارة الوصلة، مما يزيد من مقاومة الحالة المغلقة، مما يؤدي بدوره إلى زيادة الخسائر—خلق دورة مفرغة.
III. أنواع طرق التبريد
| طريقة التبريد | المبدأ | سيناريوهات التطبيق والميزات |
| التبريد الطبيعي بالحمل الحراري | يتم تبديد الحرارة عبر الأجنحة على المبرد بواسطة تدفق الهواء الطبيعي. | مناسب فقط للتطبيقات ذات الطاقة المنخفضة أو الخسائر المنخفضة جداً. لا يمكنه تلبية متطلبات معظم تطبيقات SST. |
| التبريد بالهواء القسري | يتم تركيب مروحة على المبرد لتعزيز تدفق الهواء بشكل كبير. | الحل الأكثر شيوعًا وأقل تكلفة. ومع ذلك، فإن قدرة التبريد محدودة، والمراوح تسبب ضوضاء وتقليل العمر الافتراضي وتراكم الغبار. مناسبة للتصميمات ذات الكثافة المتوسطة إلى المنخفضة للطاقة. |
| التبريد السائل | يتم إزالة الحرارة بواسطة لوحة تبريد سائلية ومضخة تدوير. | الاختيار الأساسي والمحبوب اليوم للـ SST ذات الكثافة العالية للطاقة. |
| التبريد السائل بواسطة اللوحة الباردة | تُثبت أجهزة الطاقة على ألواح معدنية داخلية بها قنوات سائل. | قدرة التبريد عدة مرات أكثر من التبريد بالهواء؛ الهيكل المدمج يسمح بدرجة حرارة منخفضة جدًا عند مصدر الحرارة. |
| التبريد بالغمر | يتم غمر الوحدة الكاملة للطاقة في مبرد عازل. | أعلى كفاءة في التبريد؛ التبريد الغامر أحادي الطور مقابل التبريد الغامر ثنائي الطور. قادر على التعامل مع كثافات طاقة متطرفة، ولكن تعقيد النظام وتكلفته هي الأعلى. |
3. مفاهيم إدارة الحرارة المتقدمة
3.1 التحكم الحراري التنبؤي
يراقب النظام درجة الحرارة والحمل في الوقت الحقيقي، ويتنبأ باتجاهات ارتفاع درجة الحرارة المستقبلية، ويقوم مسبقًا بتعديل سرعات المراوح أو معدلات المضخات أو حتى تخفيض قليل في الطاقة الخارجة لمنع درجات الحرارة من الوصول إلى مستويات حرجة.
3.2 التصميم المشترك للحرارة والكهرباء
يتم تنسيق تصميم الحرارة مع التصميم الكهربائي والهيكلي منذ مراحل التطوير الأولى. على سبيل المثال، يتم استخدام المحاكاة لتحسين تخطيط الوحدات الكهربائية، مما يضمن وضع المكونات ذات معدل التدفق الحراري العالي بالقرب من مدخل المبرد.
4. نظام الخط الحي يعمل بالتآزر
تعمل وحدات الطاقة المساعدة وأنظمة إدارة الحرارة معًا لتشكيل الضمانات الأساسية للمحول الثابت. يمكن تلخيص العلاقة بينهما كما يلي:
4.1 وحدة الطاقة المساعدة - ضمان تشغيل النظام
هي الشرط الأساسي لضمان أن النظام "يمكن أن يعمل"، حيث توفر الطاقة لكافة وحدات التحكم، بما في ذلك تلك الخاصة بنظام إدارة الحرارة (المراوح، المضخات).
4.2 نظام إدارة الحرارة - ضمان استمرارية النظام
هو الأساس لضمان أن النظام "يمكن أن يستمر في العمل"، حيث يحمي الأجهزة الرئيسية للطاقة ووحدة الطاقة المساعدة نفسها من الفشل بسبب زيادة الحرارة.
إن المحول الثابت الموثوق به هو نتيجة متكاملة لتصميم كهربائي ممتاز وإدارة حرارية وتصميم تحكم.
