Návrhové výzvy v systémech pomocné elektrické energie a chlazení SST
Dvě klíčové a významné subsystémy v návrhu pevnostavového transformátoru (SST)
Pomocný zdroj napájení a systém teplotního řízení.
Ačkoli nepřímo neúčastní hlavní převod energie, slouží jako „životní linka“ a „strážce“ zajišťující stabilní a spolehlivou operaci hlavní obvodu.
Pomocný zdroj napájení: Systémův „pacemaker“
Pomocný zdroj napájení poskytuje energii pro „mozek“ a „nervy“ celého pevnostavového transformátoru. Jeho spolehlivost přímo určuje, zda může systém fungovat normálně.
I. Klíčové výzvy
Vysokovoltní izolace: Musí bezpečně extrahovat energii z vysokovoltní strany pro zásobování ovládacích a pohonné obvodů na primární straně, což vyžaduje, aby měl modul napájení extrémně vysokou elektrickou izolační schopnost.
Silná odolnost proti rušení: Vysokofrekvenční přepínání (desítky až stovky kHz) hlavního energetického obvodu generuje velké transieny napětí (dv/dt) a elektromagnetické rušení (EMI). Pomocný zdroj napájení musí udržovat stabilní výstup v této tvrdé prostředí.
Několik přesných výstupů:
Energie pro bránové ovladače: Poskytuje izolovanou energii bránovým ovladačům každého energetického přepínače (např. SiC MOSFETs). Každý výstup musí být nezávislý a izolovaný, aby se zabránilo křížovému rušení, které by mohlo způsobit probíjení.
Energie pro ovládací desku: Zásobuje digitální ovladače (DSP/FPGA), senzory a komunikační obvody, což vyžaduje čistou, nízkošumovou energii.
II. Typické metody extrakce energie a návrh
Extrakce vysokovoltní energie: Používá izolovaný přepínací zdroj napájení (např. flyback konverter) pro extrakci energie z vysokovoltního vstupu. Je to technicky nejtěžší část, která vyžaduje specializovaný návrh.
Multi-výstupové izolované DC-DC moduly: Po získání počáteční izolované energie se obvykle používají více izolovaných DC-DC modulů pro generování dalších potřebných izolovaných napětí.
Redundantní návrh: V aplikacích s nejvyšší spolehlivostí může být pomocný zdroj napájení navržen s redundancí, aby se zajistilo bezpečné vypnutí nebo hladké přepnutí na záložní zdroj v případě selhání hlavního zdroje.
Systém teplotního řízení: Systémův „klimatizační systém“
Systém teplotního řízení přímo určuje hustotu výkonu SST, výstupní schopnost a životnost.
Proč je tak důležitý?
Extremně vysoká hustota výkonu: Nahrazením hromadných lineárních frekvencí transformátorů SST soustřeďují energii do mnohem menších energetických modulů, což vedou k ostrému nárůstu tepelného toku (teplo vygenerované na jednotku plochy).
Teplotní citlivost polovodičových zařízení: Ačkoli SiC/GaN energetická zařízení nabízejí vysokou efektivitu, mají přísné limity spojové teploty (typicky 175°C nebo nižší). Přetopení vedou k degradaci výkonu, snížení spolehlivosti nebo trvalému selhání.
Přímý dopad na efektivitu: Špatné odvádění tepla zvyšuje spojovou teplotu čipu, což zase zvyšuje rezistenci ve zapnutém stavu, což způsobuje ztráty—což vytváří zlověstný cyklus.
III. Typy chladicích metod
| Chladicí metoda | Princip | Scénáře aplikace a vlastnosti |
| Přirozená konvekce | Teplo se odvádí přes laloky na chladiči prostřednictvím přirozeného proudění vzduchu. | Je vhodná pouze pro nízkovýkonové nebo velmi nízkoztrátové experimentální nastavení. Nemůže splnit požadavky většiny aplikací SST. |
| Přinutitelné větrání | Na chladiči je montován ventilátor, který výrazně zlepšuje proudění vzduchu. | Nejčastější a nejlevnější řešení. Nicméně, kapacita odvádění tepla je omezená, a ventilační ventilátory přinášejí problémy s hlukem, omezenou životností a akumulací prachu. Je vhodná pro středně a nízkovýkonové hustoty návrhů. |
| Kapalinové chlazení | Teplo se odvádí kapalinovou chladicí deskou a cirkulačním čerpadlem. | Hlavní a preferovaná volba pro SST s vysokou hustotou výkonu dnes. |
| Kapalinové chlazení chladicí desky | Energetická zařízení jsou montována na vnitřní kovové desky s tekutinovými kanály. | Schopnost odvádění tepla je několikrát vyšší než u větrání; kompaktní struktura umožňuje velmi nízkou teplotu v zdroji tepla. |
| Imersní chlazení | Celý energetický modul je ponořen do izolačního chladiva. | Nejvyšší efektivita odvádění tepla; jednofázové imersní chlazení bez varu vs. dvoufázové imersní chlazení s varem. Schopno zpracovat extrémní hustoty výkonu, ale složitost a náklady systému jsou nejvyšší. |
3. Pokročilé koncepty teplotního řízení
3.1 Prediktivní teplotní kontrola
Systém sleduje teplotu a zatížení v reálném čase, předpovídá budoucí trendy nárůstu teploty a preventivně upravuje rychlosti ventilátorů, rychlosti čerpadel nebo dokonce mírně snižuje výstupní výkon, aby se zabránilo dosažení kritických teplot.
3.2 Elektro-teplotní ko-design
Teplotní návrh je synchronizován s elektrickým a strukturálním návrhem již od raných fází vývoje. Například simulace se používají k optimalizaci rozvržení energetických modulů, aby byly vysokoteplotní komponenty preferovaně umístěny blízko vstupu chladiva.
4. Společně pracující systém životní linky
Pomocné zdroje napájení a systémy teplotního řízení tvoří jádrovou ochranu pevnostavového transformátoru. Jejich vztah lze shrnout následovně:
4.1 Pomocný zdroj napájení - Zajištění fungování systému
Jde o předpoklad pro zajištění, že systém „může fungovat“, poskytuje energii všem ovládacím jednotkám, včetně těch systému teplotního řízení (ventilátory, vodní čerpadla).
4.2 Systém teplotního řízení - Zajištění trvanlivosti systému
Jde o základ pro zajištění, že systém „může udržovat funkčnost“, chrání hlavní energetická zařízení a sám pomocný zdroj napájení před selháním kvůli přetopení.
Velmi spolehlivý SST je nevyhnutelně výsledkem dokonalé integrace vynikajícího elektrického návrhu, teplotního řízení a návrhu ovládání.
