Изпитвания в дизайна на допълнителни системи за електропитане и охлаждане в SST
Две критични и предизвикателски подсистеми в дизайна на твърдото преобразувателно устройство (SST)
Помощен източник на напрежение и система за термално управление.
Въпреки че те не участват директно в основното преобразуване на мощността, те служат като „животна нишка“ и „пазител“, осигуряващи стабилна и надеждна работа на основния контур.
Помощен източник на напрежение: „Кардиостимулатора“ на системата
Помощният източник на напрежение предоставя енергия за „мозъка“ и „нервите“ на цялото твърдо преобразувателно устройство. Неговата надеждност директно определя дали системата може да работи нормално.
I. Основни предизвикателства
Изоляция при високо напрежение: Трябва да извлича безопасно енергия от страната с високо напрежение, за да достави контрол и първични водачи, което изисква модула за енергия да има изключително висока електрическа изолация.
Силна устойчивост към пречки: Високочестотното комутационно (десетки до стотици килогерца) на главния контур на мощността генерира големи промени на напрежението (dv/dt) и електромагнитни пречки (EMI). Помощният източник на напрежение трябва да поддържа стабилен изход в тази сурова среда.
Многочислен, точен изход:
Енергия за управлението на портата: Доставя изолирана енергия за управлението на портата на всеки мощностен ключ (например SiC MOSFETs). Всяко изходящо трябва да бъде независимо и изолирано, за да се предотврати кръстосан сигнал, който може да причини проблеми с пробив.
Енергия за контролния панел: Доставя енергия за цифровите контролери (DSP/FPGA), сензори и комуникационни контури, изискващи чиста, с малко шум, енергия.
II. Типични методи за извличане на мощност и подходи към дизайн
Извличане на високо напрежение: Използване на изолиран преобразувател на мощност (например flyback преобразувател) за извличане на енергия от входа с високо напрежение. Това е най-технически предизвикателският аспект и изисква специализиран дизайн.
Модули с много изходи и изолирани DC-DC преобразуватели: След получаване на първоначален изолиран източник на мощност, обикновено се използват множество изолирани DC-DC модули, за да се генерира допълнителна необходима изолирана напрегнатост.
Резервен дизайн: В приложенията с ултра-висока надеждност, помощният източник на напрежение може да бъде проектиран с резерв, за да се осигури безопасно изключване или безшовно превключване към резервен източник в случай на отказ на основния.
Система за термално управление: „Климатичната система“ на системата
Системата за термално управление директно определя плътността на мощността, изходната способност и продължителността на живот на SST.
Защо е толкова критично?
Екстремно висока плътност на мощността: Замествайки громоздките преобразуватели на линейна честота, SST концентрират енергията в много по-малки модули за мощност, което води до остър скок в тепловия поток (генерирана топлина на единица площ).
Температурна чувствителност на полупроводниковите устройства: Въпреки че SiC/GaN мощностните устройства предлагат висока ефективност, те имат строги ограничения на температурата на спояване (обикновено 175°C или по-ниско). Прегряването води до намалена ефективност, намалена надеждност или постоянен отказ.
Директно влияние върху ефективността: Лошото разсейване на топлината повишава температурата на спояване на чипа, увеличава активното съпротивление, което от своя страна увеличава загубите – създавайки злобен кръг.
III. Видове методи за охлаждане
| Метод за охлаждане | Принцип | Приложни сценарии и характеристики |
| Естествена конвекция | Топлината се разсейва през радиатори с естествена циркулация на въздуха. | Подходящ само за нискомощности или много ниски загуби експериментални установки. Не може да удовлетвори изискванията на повечето приложения на SST. |
| Принудено въздушно охлаждане | На радиатора е монтиран вентилатор, за да се увеличи значително циркулацията на въздуха. | Най-общи и най-евтини решение. Обаче, капацитетът за разсейване на топлината е ограничен, а вентилаторите внасят шум, ограничена продължителност на живот и проблеми с натрупване на прах. Подходящо за средно-до ниско-плътностни дизайни. |
| Жидко охлаждане | Топлината се премахва чрез хладилна плоча и циркуляционен насос. | Основното и предпочитано решение за високоплътностни SST днес. |
| Хладилна плоча с жидко охлаждане | Мощностните устройства са монтирани на вътрешни метални плочки с каналите за течност. | Капацитетът за разсейване на топлината е няколко пъти по-голям от въздушното охлаждане; компактен конструкция позволява много ниска температура в източника на топлината. |
| Поглъщащо охлаждане | Целият модул за мощност е поглъща в изолираща хладилна течност. | Най-висока ефективност за разсейване на топлината; непарещо еднофазно поглъщащо охлаждане срещу парещо двуфазно поглъщащо охлаждане. Способен да обработва екстремни плътности на мощност, но сложността и цената на системата са най-високи. |
3. Напредък в термалното управление
3.1 Предвиждащо термално управление
Системата наблюдава температурата и товара в реално време, прогнозира бъдещи тенденции за повишаване на температурата и предварително коригира скорости на вентилаторите, скорости на насосите или дори леко намалява изходната мощност, за да предотврати достигането на критични нива на температурата.
3.2 Електро-термален съвместен дизайн
Термалният дизайн е синхронизиран с електрическия и конструктивния дизайн от ранните етапи на развитие. Например, симулации се използват за оптимизиране на разположението на мощностните модули, осигурявайки, че компонентите с високи теплови потоци са предпочитателно разположени близо до входа на хладилната течност.
4. Системата „животна нишка“ работи в съгласие
Помощният източник на напрежение и системата за термално управление заедно формират основните защити на твърдото преобразувателно устройство. Их взаимноотношение може да бъде обобщено както следва:
4.1 Помощният източник на напрежение - осигурява функционалността на системата
Той е предпоставката за осигуряване, че системата „може да работи“, предоставяйки енергия за всички контролни единици, включително тези на системата за термално управление (вентилатори, водни насоси).
4.2 Системата за термално управление - осигурява устойчивостта на системата
Тя е основата за осигуряване, че системата „може да поддържа работата“, защитавайки основните мощностни устройства и самия помощен източник на напрежение от отказ поради прегряване.
Високонадеждното SST е неизбежно резултат от перфектна интеграция на изключителен електрически дизайн, термално управление и дизайн на контрола.
