Desafíos de Diseño en Sistemas Auxiliares de Energía y Refrigeración SST
Dos Subsistemas Críticos y Desafiantes en el Diseño de Transformadores de Estado Sólido (SST)
Suministro de Energía Auxiliar y Sistema de Gestión Térmica.
Aunque no participan directamente en la conversión principal de energía, sirven como la "línea de vida" y "guardián" que aseguran el funcionamiento estable y confiable del circuito principal.
Suministro de Energía Auxiliar: El "Marcapaso" del Sistema
El suministro de energía auxiliar proporciona energía para el "cerebro" y los "nervios" de todo el transformador de estado sólido. Su confiabilidad determina directamente si el sistema puede operar normalmente.
I. Desafíos Principales
Aislamiento de Alta Tensión: Debe extraer energía de manera segura del lado de alta tensión para suministrar circuitos de control y conducción en el lado primario, lo que requiere que el módulo de potencia tenga una capacidad de aislamiento eléctrico extremadamente alta.
Inmunidad Fuerte a las Interferencias: El circuito principal de potencia conmuta a alta frecuencia (decenas a cientos de kHz), generando transitorios de voltaje (dv/dt) y interferencia electromagnética (EMI). El suministro de energía auxiliar debe mantener una salida estable en este entorno hostil.
Múltiples Salidas Precisas:
Energía para Conductores de Puerta: Suministra energía aislada a los conductores de puerta de cada interruptor de potencia (por ejemplo, MOSFETs de SiC). Cada salida debe ser independiente e aislada para evitar la retroalimentación que podría causar fallos de atravesamiento.
Energía para la Placa de Control: Alimenta controladores digitales (DSP/FPGA), sensores y circuitos de comunicación, requiriendo energía limpia y de bajo ruido.
II. Métodos Típicos de Extracción de Energía y Enfoques de Diseño
Extracción de Energía de Alta Tensión: Se utiliza un suministro de energía de conmutación aislado (por ejemplo, convertidor flyback) para extraer energía de la entrada de alta tensión. Esta es la parte técnicamente más desafiante y requiere un diseño especializado.
Módulos DC-DC Aislados de Múltiple Salida: Después de obtener una fuente de energía aislada inicial, se utilizan típicamente múltiples módulos DC-DC aislados para generar las tensiones aisladas adicionales requeridas.
Diseño de Redundancia: En aplicaciones de ultra-alta confiabilidad, el suministro de energía auxiliar puede diseñarse con redundancia para garantizar un apagado seguro o un cambio sin problemas a una fuente de respaldo en caso de fallo del suministro principal.
Sistema de Gestión Térmica: El "Aire Acondicionado" del Sistema
El sistema de gestión térmica determina directamente la densidad de potencia, la capacidad de salida y la vida útil del SST.
¿Por qué es tan crítico?
Densidad de Potencia Extremadamente Alta: Al reemplazar transformadores de línea de frecuencia voluminosos, los SSTs concentran la energía en módulos de potencia mucho más pequeños, lo que lleva a un aumento brusco en el flujo de calor (calor generado por unidad de área).
Sensibilidad a la Temperatura de los Dispositivos Semiconductores: Aunque los dispositivos de potencia de SiC/GaN ofrecen alta eficiencia, tienen límites estrictos de temperatura de unión (típicamente 175°C o inferior). El sobrecalentamiento conduce a la degradación del rendimiento, reducción de la confiabilidad o fallos permanentes.
Impacto Directo en la Eficiencia: Una mala disipación de calor eleva la temperatura de unión del chip, aumentando la resistencia en estado de conducción, lo que a su vez incrementa las pérdidas—creando un ciclo vicioso.
III. Tipos de Métodos de Enfriamiento
| Método de Enfriamiento | Principio | Escenarios de Aplicación y Características |
| Convección Natural | El calor se disipa a través de aletas en el disipador de calor mediante la circulación natural del aire. | Adecuado solo para configuraciones experimentales de baja potencia o muy bajas pérdidas. No puede cumplir con los requisitos de la mayoría de las aplicaciones de SST. |
| Enfriamiento Forzado por Aire | Se monta un ventilador en el disipador de calor para mejorar significativamente el flujo de aire. | La solución más común y de menor costo. Sin embargo, la capacidad de disipación de calor es limitada, y los ventiladores introducen ruido, vida útil limitada y problemas de acumulación de polvo. Adecuado para diseños de densidad de potencia media a baja. |
| Enfriamiento por Líquido | El calor se elimina mediante una placa de enfriamiento por líquido y una bomba de circulación. | La elección principal y preferida para SSTs de alta densidad de potencia hoy en día. |
| Enfriamiento por Placa Fría con Líquido | Los dispositivos de potencia se montan en placas metálicas internas con canales de fluido. | La capacidad de disipación de calor es varias veces mayor que la del enfriamiento por aire; la estructura compacta permite una temperatura muy baja en la fuente de calor. |
| Enfriamiento por Inmersión | Todo el módulo de potencia se sumerge en un refrigerante aislante. | La eficiencia de disipación de calor es la más alta; inmersión monofásica no hirviendo frente a inmersión bifásica hirviendo. Capaz de manejar densidades de potencia extremas, pero la complejidad y el costo del sistema son los más altos. |
3. Conceptos Avanzados de Gestión Térmica
3.1 Control Térmico Predictivo
El sistema monitorea la temperatura y la carga en tiempo real, predice las tendencias futuras de aumento de temperatura y ajusta proactivamente las velocidades de los ventiladores, las tasas de la bomba o incluso reduce ligeramente la potencia de salida para prevenir que las temperaturas alcancen niveles críticos.
3.2 Co-Diseño Electro-Térmico
El diseño térmico se sincroniza con el diseño eléctrico y estructural desde las primeras etapas de desarrollo. Por ejemplo, se utilizan simulaciones para optimizar la disposición de los módulos de potencia, asegurando que los componentes de alto flujo de calor se coloquen preferentemente cerca de la entrada del refrigerante.
4. El Sistema de Línea de Vida Trabajando en Conjunto
Los suministros de energía auxiliares y los sistemas de gestión térmica forman juntos las salvaguardias centrales de un transformador de estado sólido. Su relación se puede resumir de la siguiente manera:
4.1 El Suministro de Energía Auxiliar - Garantizando la Operatividad del Sistema
Es el requisito previo para garantizar que el sistema "puede operar", proporcionando energía a todas las unidades de control, incluyendo las del sistema de gestión térmica (ventiladores, bombas de agua).
4.2 El Sistema de Gestión Térmica - Garantizando la Durabilidad del Sistema
Es la piedra angular para garantizar que el sistema "puede sostener la operación", protegiendo los dispositivos principales de potencia y el propio suministro de energía auxiliar de fallas debido al sobrecalentamiento.
Un SST altamente confiable es inevitablemente el resultado de una integración perfecta de un excelente diseño eléctrico, gestión térmica y diseño de control.
