Entwurfs Herausforderungen in SST Hilfsenergie- und Kühlungssystemen
Zwei kritische und herausfordernde Subsysteme im Design von Festkörpertransformern (SST)
Hilfsenergieversorgung und Wärmeverwaltungssystem.
Obwohl sie nicht direkt an der Hauptenergieumwandlung beteiligt sind, dienen sie als „Lebenslinie“ und „Wächter“, die eine stabile und zuverlässige Betriebsführung des Hauptschaltkreises sicherstellen.
Hilfsenergieversorgung: Der „Pazemaker“ des Systems
Die Hilfsenergieversorgung liefert Energie für das „Gehirn“ und die „Nerven“ des gesamten Festkörpertransformers. Ihre Zuverlässigkeit bestimmt direkt, ob das System normal betrieben werden kann.
I. Kernherausforderungen
Hohe Spannungsisolation: Sie muss Energie sicher aus der Hochspannungsseite entnehmen, um Steuer- und Treiberkreise auf der Primärseite zu versorgen, wobei das Energiemodul extrem hohe elektrische Isolierungsfähigkeiten benötigt.
Starkes Störfestigkeit: Die Hochfrequenzschaltungen (zehntausend bis hunderttausend Hz) des Hauptschaltkreises erzeugen große Spannungsspitzen (dv/dt) und elektromagnetische Störungen (EMI). Die Hilfsenergieversorgung muss in dieser harten Umgebung ein stabiles Ausgangssignal aufrechterhalten.
Mehrere, präzise Ausgänge:
Gate-Treiber-Energie: Versorgt die Gattreiber jedes Leistungsschalters (z.B. SiC-MOSFETs) mit isolierter Energie. Jeder Ausgang muss unabhängig und isoliert sein, um Krosstalk zu vermeiden, das Durchschlagsfehler verursachen könnte.
Steuerplatten-Energie: Versorgt digitale Steuergeräte (DSP/FPGA), Sensoren und Kommunikationsschaltungen, wobei saubere, niederstörende Energie erforderlich ist.
II. Typische Methoden zur Energieentnahme und -gestaltung
Energieentnahme bei Hochspannung: Verwendung einer isolierten Schaltstromversorgung (z.B. Flyback-Wandler) zur Entnahme von Energie aus dem Hochspannungseingang. Dies ist der technisch anspruchsvollste Teil und erfordert eine spezialisierte Gestaltung.
Mehrere isolierte DC-DC-Module: Nach Erhalt einer initialen isolierten Energiequelle werden in der Regel mehrere isolierte DC-DC-Module verwendet, um zusätzliche erforderliche isolierte Spannungen zu erzeugen.
Redundanzgestaltung: In Anwendungen mit äußerster Zuverlässigkeit kann die Hilfsenergieversorgung redundant gestaltet sein, um einen sicheren Stillstand oder einen nahtlosen Wechsel zu einer Notreserve bei einem Versagen der Hauptversorgung zu gewährleisten.
Wärmeverwaltungssystem: Das „Klimagerät“ des Systems
Das Wärmeverwaltungssystem bestimmt direkt die Leistungsstärke, die Ausgabeleistung und die Lebensdauer des SST.
Warum ist es so entscheidend?
Extrem hohe Leistungsstärke: Indem voluminöse Netzfrequenztransformer ersetzt werden, konzentrieren SSTs Energie in viel kleineren Leistungsmodule, was zu einem starken Anstieg der Wärmeflussdichte (erzeugte Wärme pro Fläche) führt.
Temperaturempfindlichkeit von Halbleiterbauteilen: Obwohl SiC/GaN-Leistungsbauweisen eine hohe Effizienz bieten, haben sie strenge Grenzwerte für die Junctionstemperatur (typischerweise 175°C oder niedriger). Überhitzung führt zu Leistungsabfall, reduzierter Zuverlässigkeit oder dauerhaftem Ausfall.
Direkter Einfluss auf die Effizienz: Arme Wärmeableitung erhöht die Chip-Junctionstemperatur, was den On-Widerstand erhöht, was wiederum zu Verlusten führt – ein Teufelskreis.
III. Arten von Kühlmethoden
| Kühlverfahren | Prinzip | Anwendungsszenarien und Merkmale |
| Naturkonvektion | Wärme wird über Flossen am Kühlkörper durch natürliche Luftzirkulation abgeführt. | Eignet sich nur für Niedrigleistung oder sehr geringe Verluste in experimentellen Aufbauten. Kann den Anforderungen der meisten SST-Anwendungen nicht gerecht werden. |
| Gezwungene Luftkühlung | Ein Lüfter wird auf dem Kühlkörper montiert, um den Luftstrom erheblich zu verbessern. | Die gängigste und kostengünstigste Lösung. Allerdings ist die Wärmeableitungskapazität begrenzt, und Lüfter bringen Geräusch, begrenzte Lebensdauer und Staubaufkommen mit. Geeignet für mittlere bis niedrige Leistungsstärken. |
| Flüssigkeitskühlung | Wärme wird durch eine flüssigkeitsgekühlte Platte und einen Zirkulationspumpe entfernt. | Die vorherrschende und bevorzugte Wahl für SSTs mit hoher Leistungsstärke heute. |
| Kälteplatte-Flüssigkeitskühlung | Leistungsbauweisen werden auf internen Metallplatten mit Flüssigkeitskanälen montiert. | Die Wärmeableitungskapazität ist mehrere Male höher als bei Luftkühlung; die kompakte Struktur ermöglicht sehr niedrige Temperaturen am Wärmequelle. |
| Tauchkühlung | Der gesamte Leistungsmodule wird in ein isolierendes Kühlmittel getaucht. | Höchste Wärmeableitungsrate; einphasige Tauchkühlung ohne Sieden versus zweiphasige Tauchkühlung mit Sieden. Kann extreme Leistungsstärken bewältigen, aber Systemkomplexität und -kosten sind am höchsten. |
3. Fortgeschrittene Konzepte der Wärmeverwaltung
3.1 Vorhersagebasierte Temperatursteuerung
Das System überwacht Temperatur und Last in Echtzeit, prognostiziert zukünftige Temperaturanstiegs-Trends und passt vorausschauend Lüftergeschwindigkeiten, Pumpenraten oder sogar leicht reduzierte Ausgangsleistung an, um zu verhindern, dass Temperaturen kritische Werte erreichen.
3.2 Elektro-thermische Co-Design
Die thermische Gestaltung wird bereits in frühen Entwicklungsphasen mit der elektrischen und strukturellen Gestaltung synchronisiert. Beispielsweise werden Simulationen verwendet, um die Anordnung der Leistungsmodule zu optimieren, um sicherzustellen, dass Komponenten mit hohem Wärmefluss bevorzugt in der Nähe des Kühlmittelinlaufs platziert werden.
4. Das Lebensliniensystem arbeitet zusammen
Hilfsenergieversorgungen und Wärmeverwaltungssysteme bilden gemeinsam die zentralen Sicherheitsvorkehrungen eines Festkörpertransformers. Ihre Beziehung lässt sich wie folgt zusammenfassen:
4.1 Die Hilfsenergieversorgung - Gewährleistung der Systembetriebbarkeit
Sie ist die Voraussetzung dafür, dass das System „betrieben werden kann“, indem es Energie für alle Steuereinheiten, einschließlich denen des Wärmeverwaltungssystems (Lüfter, Wasserpumpen), bereitstellt.
4.2 Das Wärmeverwaltungssystem - Gewährleistung der Systemdauerhaftigkeit
Es ist der Grundstein dafür, dass das System „dauerhaft betrieben werden kann“, indem es die Hauptleistungsbauweisen und die Hilfsenergieversorgung selbst vor Ausfällen aufgrund von Überhitzung schützt.
Ein hochzuverlässiger SST ist unweigerlich das Ergebnis einer perfekten Integration von ausgezeichneter elektrischer Gestaltung, Wärmeverwaltung und Steuerungsgestaltung.
