Design Challenges in SST Auxiliary Power and Cooling Systems Designudfordringer i SST-hjælpestrøm- og kølesystemer
To Kritiske og Udfordrende Underenheder i Design af Fasttilstandstransformator (SST)
Hjælpestrømforsyning og Termisk Styringssystem.
Selvom de ikke direkte deltar i den primære strømtransformering, fungerer de som "livslinjen" og "beskytteren", der sikrer stabil og pålidelig drift af hovedkredsløbet.
Hjælpestrømforsyning: Systemets "Pacemaker"
Hjælpestrømforsyningen leverer strøm til det "hjerne" og "nervsystem" af hele fasttilstandstransformator. Dens pålidelighed bestemmer direkte, om systemet kan fungere normalt.
I. Kerneudefordringer
Højspændingsisolering: Den skal sikkert udtrække strøm fra højspændings siden for at forsyne kontrol- og driverkredsløb på primær side, hvilket kræver, at strømmodulet har ekstremt høj elektrisk isoleringskapacitet.
Stærk immunmod stand mod støj: Hovedstrømkredsløbets højfrekvens switching (tiere til hundreder kHz) genererer store spændingsfluktuationer (dv/dt) og elektromagnetisk støj (EMI). Hjælpestrømforsyningen skal kunne opretholde stabil udgang i denne hårde miljø.
Flere, præcise udgange:
Gate Driver Strøm: Forsyner isoleret strøm til gate drivers for hver strømswitch (f.eks. SiC MOSFETs). Hver udgang skal være uafhængig og isoleret for at undgå krydsstøj, der kan forårsage fejl.
Kontrolplade Strøm: Forsyner digitale kontroller (DSP/FPGA), sensorer og kommunikationskredsløb, hvilket kræver ren, lavstøj strøm.
II. Typiske Metoder til Strømudtræk og Design
Højspændingsstrømudtræk: Brug en isoleret switchende strømforsyning (f.eks. flyback konverter) for at udtrække energi fra højspændingsindgang. Dette er den teknisk mest udfordrende del og kræver specialiseret design.
Flere udgange isolerede DC-DC moduler: Efter at have opnået en initial isoleret strømforsyning, bruges typisk flere isolerede DC-DC moduler for at generere yderligere nødvendige isolerede spændinger.
Redundansdesign: I applikationer med ultra-høj pålidelighed, kan hjælpestrømforsyningen være designet med redundans for at sikre sikkert nedlukning eller seemløs skift til en backup strømforsyning i tilfælde af primær fejl.
Termisk Styringssystem: Systemets "Air Conditioner"
Termisk styringssystem bestemmer direkte SST's effektdensitet, udgangsevne og levetid.
Hvorfor er det så kritisk?
Ekstremt høj effektdensitet: Ved at erstatte klodset netfrekvens-transformator, koncentrerer SST'er energi i meget mindre strømmodule, hvilket fører til en skarp stigning i varmeoverførsel (varme genereret per enhed areal).
Temperaturfølsomhed af halvlederelementer: Selvom SiC/GaN strømelementer tilbyder høj effektivitet, har de strengt junctionstemperaturgrænser (typisk 175°C eller lavere). Overophedning fører til nedsat ydeevne, lavere pålidelighed eller permanent fejl.
Direkte Indflydelse på Effektivitet: Dårlig varmekonduktion øger chip junctionstemperaturen, hvilket øger påstandsresistansen, hvilket igen øger tab - skaber en ond cirkel.
III. Typer af Kølemetoder
| Kølemetode | Princip | Anvendelsesscenarier og Egenskaber |
| Naturlig Konvektion | Varme dissiperes gennem finner på kølelementet via naturlig luftcirkulation. | Egnede kun til lav effekt eller meget lavtab eksperimentelle opsætninger. Kan ikke opfylde kravene for de fleste SST-applikationer. |
| Tvunget Luftkøling | En blæser monteres på kølelementet for at betydeligt forbedre luftcirkulation. | Den mest almindelige og billigste løsning. Dog er køleværkskapaciteten begrænset, og blæsere introducerer støj, begrænset levetid og støvakkumulation. Egnede til medium- til lav-effektdensitetsdesign. |
| Vandkøling | Varme fjernes ved en vandkølingsplade og cirkulationspumpe. | Den nuværende mainstream og foretrukne valg for høj-effektdensitets SST'er. |
| Køleplade Vandkøling | Strømelementer monteres på interne metalplader med væskkanaler. | Køleværkskapacitet er flere gange større end luftkøling; kompakt struktur muliggør meget lav temperatur ved varmekilden. |
| Dybkolet Køling | Hele strømmodulet er dyppet i en isolerende kølevæske. | Højeste køleværkskapacitet; enfasisk ikke-kogende dybkolet vs. tofasisk kogende dybkolet. Kan håndtere ekstreme effektdensiteter, men systemkompleksitet og -omkostninger er højeste. |
3. Avancerede Termiske Styringskoncepter
3.1 Forudsigelig Termisk Kontrol
Systemet overvåger temperatur og belastning i realtid, forudsiger fremtidige temperaturstigningstrender, og justerer forudgribsvis blæsers hastigheder, pumpehastigheder eller endda reducerer lidt udgangseffekten for at forhindre, at temperaturen når kritiske niveauer.
3.2 Elektro-Termisk Co-Design
Termisk design synkroniseres med elektrisk og strukturelt design fra tidlige udviklingsfaser. F.eks. bruges simulationer til at optimere layoutet af strømmodule, der sikrer, at høje varmefluxkomponenter placeres tæt på kølevæsken indgang.
4. Livslinjesystemet Arbejder Sammen
Hjælpestrømforsyninger og termiske styringssystemer sammen danner kernebeskyttelsen af en fasttilstandstransformator. Deres relation kan summeres som følger:
4.1 Hjælpestrømforsyningen - Sikring af Systemets Drift
Det er forudsætningen for at sikre, at systemet "kan fungere", ved at forsyne alle styreenheder, herunder dem af termisk styringssystem (blæsere, vandpumper).
4.2 Termisk Styringssystem - Sikring af Systemets Holdbarhed
Det er grundlaget for at sikre, at systemet "kan vedvarende drifte", beskytter hovedstrømelementer og selve hjælpestrømforsyningen mod fejl på grund af overophedning.
En høj pålidelig SST er uundgåeligt resultatet af en perfekt integration af fremragende elektrisk design, termisk styring og styringsdesign.
