چالش‌های طراحی در سیستم‌های تغذیه و خنک‌سازی کمکی SST
دو زیرسیستم بحرانی و چالش‌برانگیز در طراحی ترانسفورماتور حالت جامد (SST)
منبع تغذیه کمکی و سیستم مدیریت حرارتی.
اگرچه این دو مستقیماً در تبدیل اصلی انرژی شرکت نمی‌کنند، اما به عنوان "خط حیات" و "محافظ" عمل می‌کنند تا عملکرد پایدار و قابل اعتماد مدار اصلی را تضمین کنند.
منبع تغذیه کمکی: "پیاززن" سیستم
منبع تغذیه کمکی انرژی را برای "مخ" و "عصب" کل ترانسفورماتور حالت جامد فراهم می‌کند. قابلیت اطمینان آن مستقیماً تعیین‌کننده این است که آیا سیستم می‌تواند به طور عادی عمل کند یا خیر.
I. چالش‌های اصلی
جداکننده ولتاژ بالا: باید به طور ایمن انرژی را از سمت ولتاژ بالا استخراج کند تا به مدارهای کنترل و راننده در سمت اولیه تامین کند، که نیازمند قابلیت جداکننده الکتریکی بسیار بالا در ماژول توان است.
مقاومت قوی در برابر تداخل: مدار توان اصلی با سوئیچینگ با فرکانس بالا (ده‌ها تا صدها kHz) نوسانات ولتاژ بزرگ (dv/dt) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد می‌کند. منبع تغذیه کمکی باید در این محیط سخت خروجی پایداری داشته باشد.
خروجی‌های متعدد و دقیق:
توان راننده دروازه: توان جداشده را به راننده‌های دروازه هر ترانزیستور توان (مانند SiC MOSFETs) تامین می‌کند. هر خروجی باید مستقل و جدا شده باشد تا از تداخل که می‌تواند باعث خطاهای shoot-through شود، جلوگیری شود.
توان بورد کنترل: توان را به کنترلرهای دیجیتال (DSP/FPGA)، سنسورها و مدارهای ارتباطی تامین می‌کند که نیازمند توان تمیز و بدون نویز هستند.
II. روشهای معمول استخراج توان و طراحی
استخراج توان ولتاژ بالا: از یک منبع تغذیه سوئیچینگ جداشده (مانند تبدیل‌دهنده flyback) برای استخراج انرژی از ورودی ولتاژ بالا استفاده می‌شود. این بخش از لحاظ فنی چالش‌برانگیز‌ترین بخش است و نیازمند طراحی تخصصی است.
ماژول‌های DC-DC جداشده چند خروجی: پس از به دست آوردن یک منبع توان اولیه جداشده، معمولاً از چند ماژول DC-DC جداشده برای تولید ولتاژهای جداشده مورد نیاز استفاده می‌شود.
طراحی با قابلیت اضافه: در برنامه‌های با قابلیت اطمینان بسیار بالا، ممکن است منبع تغذیه کمکی با قابلیت اضافه طراحی شود تا در صورت خرابی اصلی، توقف ایمن یا تغییر سلسه‌مرحله‌ای به منبع تغذیه پشتیبان را تضمین کند.
سیستم مدیریت حرارتی: "کولر" سیستم
سیستم مدیریت حرارتی مستقیماً تعیین‌کننده چگالی توان، قابلیت خروجی و طول عمر SST است.
چرا اینقدر مهم است؟
چگالی توان بسیار بالا: با جایگزینی ترانسفورماتورهای فرکانس خطی بزرگ، SSTها انرژی را در ماژول‌های توان بسیار کوچکتر متمرکز می‌کنند که منجر به افزایش تیز در شار حرارتی (حرارت تولید شده در واحد سطح) می‌شود.
حساسیت دستگاه‌های نیمه‌رسانا به دمای محیط: اگرچه دستگاه‌های توان SiC/GaN با کارایی بالا هستند، اما محدودیت‌های دمایی مشابه (معمولاً 175°C یا کمتر) دارند. گرم شدن بیش از حد منجر به کاهش کارایی، کاهش قابلیت اطمینان یا خرابی دائمی می‌شود.
تأثیر مستقیم بر کارایی: تشعشع حرارتی ضعیف دمای گره را افزایش می‌دهد، که در نتیجه مقاومت وضعیت روشن را افزایش می‌دهد و این باعث افزایش تلفات می‌شود—ایجاد یک چرخه خودمحرک.
III. انواع روشهای خنک‌سازی
| روش خنک‌سازی | اصل کار | سناریوهای کاربردی و ویژگی‌ها |
| حمل حرارت طبیعی | حرارت از طریق فین‌های رادیاتور از طریق حمل طبیعی هوای می‌باشد. | تنها برای سیستم‌های با توان پایین یا آزمایش‌های با تلفات بسیار کم مناسب است. نمی‌تواند نیازهای بیشتر SSTها را برآورده کند. |
| حمل حرارت مجبور | فن بر روی رادیاتور نصب شده تا جریان هوای را به طور قابل توجهی افزایش دهد. | حل معمول و کم‌هزینه‌ترین. با این حال، ظرفیت حمل حرارت محدود است و فن‌ها نویز، عمر محدود و مشکلات تجمع غبار را می‌آورند. برای طرح‌های با چگالی توان متوسط تا پایین مناسب است. |
| خنک‌سازی مایع | حرارت از طریق صفحه خنک‌سازی مایع و پمپ گردش مایع خارج می‌شود. | انتخاب اصلی و محبوب برای SSTهای با چگالی توان بالا در حال حاضر. |
| صفحه خنک‌سازی مایع | دستگاه‌های توان روی صفحات فلزی داخلی با کانال‌های مایع نصب شده‌اند. | ظرفیت حمل حرارت چند برابر حمل حرارت هوایی است؛ ساختار فشرده امکان دستیابی به دمای بسیار پایین در منبع حرارت را فراهم می‌کند. |
| خنک‌سازی غوطه‌وری | کل ماژول توان در یک مایع عایقی غوطه‌ور می‌شود. | کارایی حمل حرارت بالاترین است؛ غوطه‌وری تک faz غیرجوهره‌ای در مقابل غوطه‌وری دو faz جوهره‌ای. قادر به مدیریت چگالی‌های توان بسیار بالا، اما پیچیدگی و هزینه سیستم بالاترین است. |
3. مفاهیم پیشرفته مدیریت حرارتی
3.1 کنترل پیش‌بین حرارتی
سیستم دمای و بار را در زمان واقعی می‌نگارد، روند افزایش دمای آینده را پیش‌بینی می‌کند و به طور پیشگیرانه سرعت فن‌ها، نرخ پمپ‌ها یا حتی کمی کاهش توان خروجی را تنظیم می‌کند تا از رسیدن دمای به سطوح بحرانی جلوگیری شود.
3.2 طراحی همزمان الکترو-حرارتی
طراحی حرارتی از مرحله‌های اولیه توسعه با طراحی الکتریکی و ساختاری همزمان است. به عنوان مثال، از شبیه‌سازی‌ها برای بهینه‌سازی چیدمان ماژول‌های توان استفاده می‌شود تا مؤلفه‌های با شار حرارتی بالا به طور اولویت‌دار در نزدیکی ورودی مایع قرار گیرند.
4. سیستم خط حیات در هماهنگی کار می‌کند
منبع تغذیه کمکی و سیستم مدیریت حرارتی با هم تشکیل دهنده محافظ‌های اصلی ترانسفورماتور حالت جامد می‌شوند. رابطه آنها می‌تواند به شرح زیر خلاصه شود:
4.1 منبع تغذیه کمکی - تضمین قابلیت کارکرد سیستم
این منبع تأمین‌کننده توان برای تمام واحدهای کنترل، از جمله سیستم مدیریت حرارتی (فن‌ها، پمپ‌های آب) است و پیش‌شرط برای تضمین اینکه سیستم "می‌تواند کار کند" است.
4.2 سیستم مدیریت حرارتی - تضمین قابلیت تحمل سیستم
این سیستم سنگ بنای تضمین این است که سیستم "می‌تواند به طور مداوم کار کند"، با محافظت از دستگاه‌های توان اصلی و خود منبع تغذیه کمکی از خرابی به دلیل گرم شدن بیش از حد.
یک SST با قابلیت اطمینان بالا حتماً نتیجه یکپارچه‌سازی عالی طراحی الکتریکی، مدیریت حرارتی و طراحی کنترل است.
