Desafiaments de disseny en sistemes auxiliars d'energia i refrigeració SST
Dos Subsistemes Crítics i Desafiant en el Disseny del Transformador d'Estat Sòlid (SST)
Subministrament d'Alimentació Auxiliar i Sistema de Gestió Tèrmica.
Encara que no participin directament en la conversió principal de potència, serveixen com a "línia de vida" i "guardià" assegurant una operació estable i fiable del circuit principal.
Subministrament d'Alimentació Auxiliar: El "Pacemaker" del Sistema
El subministrament d'alimentació auxiliar proporciona energia per al "cervell" i "nervis" de tot el transformador d'estat sòlid. La seva fiabilitat determina directament si el sistema pot funcionar normalment.
I. Desafiaments Nucleus
Aillament de Alta Tensió: Ha d'extraure segurament energia del costat de alta tensió per subministrar circuits de control i conducció al costat primari, requereix que el mòdul d'alimentació tingui una capacitat d'aillament elèctric extremadament alta.
Força Immunitat a la Interferència: El commutació d'alta freqüència (de desenes a centenars de kHz) del circuit principal de potència genera grans transients de tensió (dv/dt) i interferència electromagnètica (EMI). El subministrament d'alimentació auxiliar ha de mantenir una sortida estable en aquest entorn advers.
Múltiples Sortides Precises:
Potència del Driver de Portes: Subministra energia aïllada als drivers de portes de cada interruptor de potència (p. ex., SiC MOSFETs). Cada sortida ha de ser independent i aïllada per evitar la crosstalk que podria causar falles de shoot-through.
Potència de la Placa de Control: Alimenta els controladors digitals (DSP/FPGA), sensors i circuits de comunicació, requerint una potència neta, amb baix soroll.
II. Aproximacions Típiques d'Extracció de Potència i Disseny
Extracció de Potència de Alta Tensió: Utilitzar un subministrament d'alimentació commutat aïllat (p. ex., convertidor flyback) per extreure energia de l'entrada de alta tensió. Aquesta és la part més tècnicament desafiante i requereix un disseny especialitzat.
Mòduls DC-DC Aïllats Multi-Sortida: Després d'obtenir una font d'alimentació aïllada inicial, es sol utilitzar múltiples mòduls DC-DC aïllats per generar les altres tensions aïllades necessàries.
Disseny de Redundància: En aplicacions d'extrema fiabilitat, el subministrament d'alimentació auxiliar pot estar dissenyat amb redundància per assegurar un apagat segur o una transició fluida a una font de reserva en cas de fallada de la principal.
Sistema de Gestió Tèrmica: El "Condicionador d'Aire" del Sistema
El sistema de gestió tèrmica determina directament la densitat de potència, la capacitat de sortida i la llargada de vida del SST.
Per què és tan crític?
Densitat de Potència Extremadament Alta: Reemplaçant els voluminosos transformadors de freqüència de línia, els SSTs concentren l'energia en mòduls de potència molt més petits, provocant un augment brusc en el flux de calor (calor generada per unitat d'àrea).
Sensibilitat a la Temperatura dels Dispositius Semiconductors: Tot i que els dispositius de potència SiC/GaN ofereixen una altesa eficiència, tenen límits estrictes de temperatura de junta (típicament 175°C o inferior). L'exces de calor provoca una degradació del rendiment, una reducció de la fiabilitat o una fallada permanent.
Impacte Directe en l'Eficiència: Una dissipació de calor deficiente eleva la temperatura de la junta del xip, augmentant la resistència en estat d'encès, el que a seu torn incrementa les pèrdues—creant un cicle viciós.
III. Tipus de Mètodes de Refredament
| Mètode de Refredament | Principi | Escenaris d'Aplicació i Característiques |
| Convecció Natural | El calor es dissipa a través de alets en el radiador mitjançant la circulació natural de l'aire. | Adecuat només per a configuracions experimentals de baixa potència o perdides molt baixes. No compleix els requisits de la majoria de les aplicacions SST. |
| Refredament Forçat per Aire | Es monta un ventilador en el radiador per augmentar significativament el flux d'aire. | La solució més comuna i de menor cost. No obstant això, la capacitat de dissipació de calor és limitada, i els ventiladors introduïxen soroll, vida útil limitada i problemes d'accumulació de pols. Adecuat per a dissenys de densitat de potència mitja a baixa. |
| Refredament per Liquid | El calor es treu mitjançant una placa de refredament per liquid i una bomba de circulació. | L'opció principal i preferida per a SSTs de alta densitat de potència avui en dia. |
| Refredament per Liquid amb Placa Fría | Els dispositius de potència es muntan en plaques metàl·liques internes amb canals de fluid. | La capacitat de dissipació de calor és diverses vegades superior a la del refredament per aire; la estructura compacta permet una temperatura molt baixa a la font de calor. |
| Refredament per Immersió | Tot el mòdul de potència es sumerge en un refrigerant aïllant. | Eficiència de dissipació de calor més alta; immersió monofàsica sense ebullició vs. immersió bifàsica amb ebullició. Capaç de gestionar densitats de potència extrems, però la complexitat i el cost del sistema són els més alts. |
3. Conceptes Avançats de Gestió Tèrmica
3.1 Control Tèrmic Predictiu
El sistema monitoritza la temperatura i la càrrega en temps real, preveu tendències futurs d'augment de la temperatura i ajusta preventivament les velocitats dels ventiladors, les taxes de la bomba o fins i tot redueix lleugerament la potència de sortida per evitar que les temperatures arribin a nivells crítics.
3.2 Disseny Electro-Tèrmic Conjunt
El disseny tèrmic s'ajusta amb el disseny elèctric i estructural des de les primeres etapes de desenvolupament. Per exemple, s'utilitzen simulacions per optimitzar la disposició dels mòduls de potència, assegurant que els components de flux de calor alt estiguin preferentment col·locats prop de la entrada del refrigerant.
4. El Sistema de Línia de Vida Treballant en Concert
El subministrament d'alimentació auxiliar i el sistema de gestió tèrmica formen conjuntament les salvagardes nuclis del transformador d'estat sòlid. La seva relació es pot resumir com segueix:
4.1 El Subministrament d'Alimentació Auxiliar - Assegurant la Operativitat del Sistema
És el prerequisit per assegurar que el sistema "pugui funcionar", proporcionant energia a totes les unitats de control, inclosa la del sistema de gestió tèrmica (ventiladors, bombes d'aigua).
4.2 El Sistema de Gestió Tèrmica - Assegurant la Durabilitat del Sistema
És la pedra angular per assegurar que el sistema "pugui sostenir la operació", protegint els dispositius de potència principals i el propi subministrament d'alimentació auxiliar de fallades degudes a l'exces de calor.
Un SST altament fiable és inevitablement el resultat d'una integració perfecta d'un disseny elèctric excel·lent, una gestió tèrmica i un disseny de control excel·lent.
