SST abipower ja jahutussüsteemide disaini väljakutsed
Kaks kriitilist ja keerulist alam süsteemi tahasteisvahetaja (SST) disainis
Abivõrgu toidumine ja soojuse haldussüsteem.
Kuigi need ei osale otse peamises võrgutoidumises, on nad "eluelu" ja "kaitsja", tagades peamise tsirkvi stabiilse ja usaldusväärse töö.
Abivõrgu toidumine: Süsteemi "südamelihastimine"
Abivõrgu toidumine pakkub energiat kogu tahasteisvahetaja "ajukapsa" ja "sinirapide" jaoks. Selle usaldusväärsus määrab otseselt, kas süsteem suudab normaalselt töötada.
I. Põhiline väljakutse
Kõrge pingeseisund: Vaja on ohutult võtta energia kõrgepinge poolt, et toota juht- ja juhtimissüsteeme esimesel poolel, mis nõuab, et toidumoodulil oleks väga kõrge elektriline eraldusvõime.
Tugev immuniteet segaduse vastu: Peamise võrgutoidumise kõrge sageduse lülitamine (kümnete kuni sadade kHz) tekitab suurelennulisi pingevaheldusi (dv/dt) ja elektromagnetilist segadust (EMI). Abivõrgu toidumine peab säilitama stabiilset väljundit sellises raske keskkonnas.
Mitu täpset väljundit:
Väravajuhi toidumine: Pakub eraldatud toidet iga võimsuse väravajuhi (nt SiC MOSFET-i) jaoks. Iga väljund peab olema sõltumatu ja eraldatud, et vältida ristsegadust, mis võib põhjustada läbipääsu vigu.
Juhtimisplaatide toidumine: Toitab digitaaljuhitajaid (DSP/FPGA), sensorite ja kommunikatsioonitsüsteeme, mis nõuavad puhta, madala müra toidet.
II. Tavalised toidu ekstraktimise ja disaini meetodid
Kõrgepinge toidu ekstraktimine: Kasutatakse eraldatud lülituslikku toidumoodulit (nt flyback konverter) kõrgepinge sisendi energia ekstraktimiseks. See on tehniliselt kõige keerulisem osa ja nõuab spetsialiseeritud disaini.
Mitme väljundi eraldatud DC-DC moodulid: Pärast algse eraldatud toiduväljundi saamist kasutatakse tavaliselt mitmeid eraldatud DC-DC mooduleid, et luua lisaks vajalikud eraldatud pinged.
Redundantsdisain: Ülitõhusates rakendustes võidakse abivõrgu toidumist disaineerida redundantsiga, et tagada turvaline seiskmine või lihtne üleminek varakopiasse põhiviga korral.
Soojuse haldussüsteem: Süsteemi "klimaseade"
Soojuse haldussüsteem määrab otseselt SST-i võimsuse tihe, väljundvõime ja eluea.
Miks see on nii kriitiline?
Ülitõeline võimsuse tihe: Bulki lineaarsageduse transformatorite asendamisel koondab SST-d energiad palju väiksematesse võimsuse moodulitesse, mis viib kiiresti suurenema soojuse fluxi (soojuse genereerimine ühiku pindala kohta).
Põnevõtmete soojuse tundlikkus: Kuigi SiC/GaN võimsuse elemendid pakuvad kõrget efektiivsust, on neil range ühenduspunktide temperatuuri piir (tavaliselt 175°C või madalam). Liiga suur soojus viib performantsi halvenemiseni, usaldusväärsuse vähenemiseni või jäigule kahjune.
Otsene mõju efektiivsusele: Halb soojuse levikutus tõstab chipi ühenduspunkti temperatuuri, suurendades seeläbi ligipääsumispinge, mis omakorda suurendab kaotusi – tekib kurjaks tsükliks.
III. Jäähenda meetodite tüübid
| Jäähenda meetod | Printsiip | Rakendusstsenariid ja omadused |
| Loomulik jooksvus | Soojus levitatakse kera kilede kaudu loomuliku õhu ringluse kaudu. | Sobib ainult madalate võimsuste või väga madalate kaotustega eksperimentaarsetele seadistustele. Ei saa rahuldada enamiku SST rakenduste nõudeid. |
| Sunnitud õhujäähendus | Kera peale paigutatakse ventilator, mis oluliselt suurendab õhuringlust. | Kõige levinum ja odavaim lahendus. Kuid soojuse levikutusvõime on piiratud, ja ventilatorid toovad kaasa müra, piiratud elueaga ja tolmukaanemise probleeme. Sobib keskmise kuni madala võimsustihega disainidele. |
| Veejäähendus | Soojus eemaldatakse vedeliku jäähendusplatina ja ringlusumpuga. | Praegu on see kõrge võimsustihega SST-de jaoks populaarne ja eelistatud valik. |
| Külmalaua veejäähendus | Võimsuse elemendid paigutatakse sisekere metallplaadile, millega on vedeliku kanalid. | Soojuse levikutusvõime on mitu korda suurem kui õhujäähenduse puhul; kompaktne struktuur võimaldab väga madala temperatuuri allika läheduses. |
| Immertseerimisjäähendus | Täielik võimsuse moodul immergeeritakse isolatsioonivee sees. | Kõrgeim soojuse levikutusefektiivsus; mittekeelatud ühefaasi immertseerimine vs keelatud kaksifaasi immertseerimine. Suudab käsitelda äärmisi võimsustihti, kuid süsteemi keerukus ja kulud on kõrgeimad. |
3. Edasijõudlikud soojuse haldamise mõisted
3.1 Ennustav soojuse kontroll
Süsteem jälgib reaalajas temperatuuri ja laadi, ennustab tulevase temperatuuri tõusu trende ja ennetavalt reguleerib ventilatorite kiirust, umpude sagedust või isegi vähendab veidi väljundvõimu, et vältida temperatuuri kriitiliste tasemete jõudmist.
3.2 Elektro-soojuse koosdisain
Soojuse disain on algselt arendusest alates sünkroniseeritud elektrilise ja struktuurse disainiga. Näiteks kasutatakse simulatsioone, et optimiseerida võimsuse moodulite paigutust, tagades, et kõrge soojuse fluxiga elemendid asetatakse eelistatult külmendusvedeliku sissevoolu lähedale.
4. Eluelu süsteem koos töötades
Abivõrgu toidumine ja soojuse haldussüsteem koos moodustavad tahasteisvahetaja põhiseid kaitsemeetmeid. Nende suhe võib kokku võtta järgmiselt:
4.1 Abivõrgu toidumine - Tagab süsteemi töövõime
See on eeltingimus, et süsteem "saaks töötada," pakkudes toidu kõigile juhtimise üksustele, sealhulgas soojuse haldussüsteemi (ventilatorite, veeumpude) jaoks.
4.2 Soojuse haldussüsteem - Tagab süsteemi kestvuse
See on aluseks, et süsteem "saaks jätkata tööd," kaitstes peamisi võimsuse elemendeid ja endisest abivõrgu toidumist läbipääsu vigade eest.
Ülitõhus SST on vältimatult ideaalse integreerimise tulemus, mis koosneb väljapaistes elektrilisest disainist, soojuse haldusest ja juhtimisest.
