چالش‌های طراحی در سیستم‌های قدرت و خنک‌سازی کمکی SST

دو زیرسیستم حیاتی و چالش‌برانگیز در طراحی ترانسفورماتور جامد (SST)
منبع تغذیه کمکی و سیستم مدیریت حرارتی.

اگرچه این دو مستقیماً در تبدیل توان اصلی شرکت نمی‌کنند، به عنوان "خط زندگی" و "نگهبان" عمل می‌کنند تا عملکرد پایدار و قابل اعتماد مدار اصلی را تضمین کنند.

منبع تغذیه کمکی: "پیس‌میکر" سیستم

منبع تغذیه کمکی انرژی را برای "مغز" و "عصب‌ها" کل ترانسفورماتور جامد فراهم می‌کند. قابلیت اطمینان آن به طور مستقیم تعیین می‌کند که آیا سیستم می‌تواند به طور عادی عمل کند یا خیر.

I. چالش‌های اصلی

• جداشدگی ولتاژ بالا: باید به طور ایمن انرژی را از سمت ولتاژ بالا استخراج کند تا به مدارهای کنترل و راننده در سمت اولیه تغذیه کند، که نیازمند این است که ماژول تغذیه توانایی جداشدگی الکتریکی بسیار بالایی داشته باشد.

• مقاومت قوی در برابر تداخل: مدار توان اصلی با تبدیل فرکانس بالا (ده‌ها تا صد‌ها kHz) تنش‌های 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:

• قدرت راننده دروازه: قدرت جداشده‌ای را به راننده‌های دروازه هر ترانزیستور توان (مانند SiC MOSFETs) تأمین می‌کند. هر خروجی باید مستقل و جداشده باشد تا از تداخل کراس‌تاک که می‌تواند باعث خطاهای shoot-through شود جلوگیری شود.

• قدرت بورد کنترل: به پردازنده‌های دیجیتال (DSP/FPGA)، سنسورها و مدارهای ارتباطات تغذیه می‌کند، که نیازمند تغذیه تمیز و بدون نویز است.

II. رویکردهای معمول استخراج توان و طراحی

• استخراج توان ولتاژ بالا: از یک منبع تغذیه تبادلی جداشده (مانند تبدیل‌کننده flyback) برای استخراج انرژی از ورودی ولتاژ بالا استفاده می‌شود. این بخش فنی‌ترین بخش است و نیازمند طراحی تخصصی است.

• ماژول‌های DC-DC جداشده چند خروجی: پس از به دست آوردن یک منبع تغذیه جداشده اولیه، معمولاً از چندین ماژول DC-DC جداشده برای تولید ولتاژهای جداشده اضافی استفاده می‌شود.

• طراحی مازاد: در کاربردهای با قابلیت اطمینان فوق‌العاده، ممکن است منبع تغذیه کمکی با طراحی مازاد ساخته شود تا در صورت خرابی اصلی، توقف ایمن یا تغییر سیستم به منبع پشتیبان را تضمین کند.

سیستم مدیریت حرارتی: "کولر" سیستم

سیستم مدیریت حرارتی به طور مستقیم تراکم توان، توان خروجی و طول عمر SST را تعیین می‌کند.

چرا اینقدر مهم است؟

• تراکم توان بسیار بالا: با جایگزینی ترانسفورماتورهای فرکانس خطی بزرگ، SST‌ها انرژی را در ماژول‌های توان بسیار کوچکتر متمرکز می‌کنند، که منجر به افزایش شدید شار حرارتی (حرارت تولید شده در واحد مساحت) می‌شود.

• حساسیت دستگاه‌های نیمه‌رسانا به دمای محیط: اگرچه دستگاه‌های توان SiC/GaN کارایی بالایی دارند، محدودیت‌های دمایی مشابه (معمولاً ۱۷۵ درجه سانتیگراد یا کمتر) دارند. گرم شدن بیش از حد منجر به کاهش عملکرد، 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 امر باعث افزایش تلفات می‌شود—ایجاد یک چرخه خودپرداز.

III. انواع روش‌های خنک‌سازی

3. مفاهیم پیشرفته مدیریت حرارتی

3.1 کنترل حرارتی پیش‌بینی‌کننده
سیستم به طور واقعی دمای و بار را مونیتور می‌کند، روندهای افزایش دما را پیش‌بینی می‌کند و به طور پیشگیرانه سرعت فن‌ها، نرخ پمپ‌ها یا حتی کمی کاهش توان خروجی را تنظیم می‌کند تا دما به سطح بحرانی نرسد.

3.2 طراحی همزمان الکترو-حرارتی
طراحی حرارتی از مرحله اولیه توسعه با طراحی الکتریکی و ساختاری همزمان می‌شود. به عنوان مثال، از شبیه‌سازی‌ها برای بهینه‌سازی چیدمان ماژول‌های توان استفاده می‌شود تا مطمئن شویم که مولفه‌های با شار حرارتی بالا به طور اولویتی نزدیک ورودی مایع قرار گرفته‌اند.

4. سیستم خط زندگی کار می‌کند به صورت هماهنگ

منبع تغذیه کمکی و سیستم مدیریت حرارتی با هم هسته‌های اصلی محافظت از ترانسفورماتور جامد را تشکیل می‌دهند. رابطه آنها می‌تواند به این صورت خلاصه شود:

4.1 منبع تغذیه کمکی - تضمین عملکرد سیستم
این پیش‌شرط برای تضمین این است که سیستم "می‌تواند عمل کند"، تغذیه توان به تمام واحدهای کنترل، از جمله سیستم مدیریت حرارتی (فن‌ها، پمپ‌های آب) را فراهم می‌کند.

4.2 سیستم مدیریت حرارتی - تضمین تحمل سیستم
این سنگ بنایی است برای تضمین این که سیستم "می‌تواند عملکرد خود را حفظ کند"، و دستگاه‌های توان اصلی و خود منبع تغذیه کمکی را از خرابی به دلیل گرم شدن بیش از حد محافظت می‌کند.

یک SST با قابلیت اطمینان بالا حتماً نتیجه یکپارچه‌سازی عالی طراحی الکتریکی، مدیریت حرارتی و طراحی کنترلی است.