Défis de conception des systèmes auxiliaires d'alimentation et de refroidissement SST
Deux sous-systèmes critiques et complexes dans la conception des transformateurs à état solide (SST)
Alimentation auxiliaire et système de gestion thermique.
Bien qu'ils ne participent pas directement à la conversion principale de l'énergie, ils servent de "ligne de vie" et de "garde-fou" pour assurer un fonctionnement stable et fiable du circuit principal.
Alimentation auxiliaire : Le "pacemaker" du système
L'alimentation auxiliaire fournit de l'énergie au "cerveau" et aux "nerfs" de l'ensemble du transformateur à état solide. Sa fiabilité détermine directement si le système peut fonctionner normalement.
I. Défis majeurs
Isolation haute tension : Elle doit extraire en toute sécurité de l'énergie du côté haute tension pour alimenter les circuits de commande et de pilotage sur le côté primaire, ce qui nécessite que le module d'alimentation dispose d'une capacité d'isolation électrique extrêmement élevée.
Immunité forte aux interférences : La commutation haute fréquence (de dizaines à centaines de kHz) du circuit principal génère de grandes transitoires de tension (dv/dt) et des interférences électromagnétiques (EMI). L'alimentation auxiliaire doit maintenir une sortie stable dans cet environnement difficile.
Multiples sorties précises :
Alimentation du pilote de porte : Fournit de l'énergie isolée aux pilotes de porte de chaque interrupteur de puissance (par exemple, MOSFET SiC). Chaque sortie doit être indépendante et isolée pour éviter les interférences qui pourraient causer des défauts de court-circuit.
Alimentation de la carte de contrôle : Alimente les contrôleurs numériques (DSP/FPGA), les capteurs et les circuits de communication, nécessitant une alimentation propre et peu bruyante.
II. Méthodes typiques d'extraction d'énergie et approches de conception
Extraction d'énergie haute tension : Utiliser une alimentation à découpage isolée (par exemple, convertisseur flyback) pour extraire de l'énergie de l'entrée haute tension. C'est la partie techniquement la plus complexe et qui nécessite une conception spécialisée.
Modules DC-DC isolés multi-sorties : Après avoir obtenu une source d'énergie isolée initiale, plusieurs modules DC-DC isolés sont généralement utilisés pour générer des tensions isolées supplémentaires requises.
Conception redondante : Dans les applications ultra-haute fiabilité, l'alimentation auxiliaire peut être conçue avec une redondance pour assurer une coupure sûre ou un basculement sans faille vers une alimentation de secours en cas de panne du primaire.
Système de gestion thermique : Le "climatiseur" du système
Le système de gestion thermique détermine directement la densité de puissance, la capacité de sortie et la durée de vie du SST.
Pourquoi est-il si critique ?
Densité de puissance extrêmement élevée : En remplaçant les transformateurs à fréquence de ligne encombrants, les SST concentrent l'énergie dans des modules de puissance beaucoup plus petits, entraînant une augmentation brutale du flux thermique (chaleur générée par unité de surface).
Sensibilité thermique des composants semi-conducteurs : Bien que les dispositifs de puissance SiC/GaN offrent une grande efficacité, ils ont des limites strictes de température de jonction (généralement 175°C ou moins). Le surchauffage conduit à une dégradation des performances, une réduction de la fiabilité ou une défaillance permanente.
Impact direct sur l'efficacité : Une mauvaise dissipation de chaleur augmente la température de jonction des puces, augmentant la résistance en état conducteur, ce qui à son tour augmente les pertes—créant un cercle vicieux.
III. Types de méthodes de refroidissement
| Méthode de refroidissement | Principe | Scénarios d'application et caractéristiques |
| Convection naturelle | La chaleur est dissipée par les ailettes du dissipateur via la circulation naturelle de l'air. | Convient uniquement pour des installations expérimentales de faible puissance ou à très faibles pertes. Ne peut pas répondre aux exigences de la plupart des applications SST. |
| Refroidissement forcé par air | Un ventilateur est monté sur le dissipateur pour améliorer considérablement le flux d'air. | La solution la plus courante et la moins coûteuse. Cependant, la capacité de dissipation thermique est limitée, et les ventilateurs introduisent du bruit, une durée de vie limitée et des problèmes de poussière. Convient pour les conceptions de densité de puissance moyenne à faible. |
| Refroidissement liquide | La chaleur est éliminée par une plaque de refroidissement liquide et une pompe de circulation. | Le choix préféré et le plus courant pour les SST de haute densité de puissance aujourd'hui. |
| Refroidissement liquide par plaque froide | Les dispositifs de puissance sont montés sur des plaques internes métalliques avec des canaux de fluide. | La capacité de dissipation thermique est plusieurs fois supérieure à celle du refroidissement par air ; la structure compacte permet une température très basse à la source de chaleur. |
| Refroidissement par immersion | L'ensemble du module de puissance est immergé dans un liquide de refroidissement isolant. | Efficacité de dissipation thermique la plus élevée ; refroidissement par immersion monophasique non bouillonnant vs. refroidissement par immersion diphasique bouillonnant. Capable de gérer des densités de puissance extrêmes, mais la complexité et le coût du système sont les plus élevés. |
3. Concepts avancés de gestion thermique
3.1 Contrôle thermique prédictif
Le système surveille en temps réel la température et la charge, prédit les tendances de hausse de température futures et ajuste préventivement les vitesses des ventilateurs, les débits des pompes ou même réduit légèrement la puissance de sortie pour empêcher que la température n'atteigne des niveaux critiques.
3.2 Conception thermo-électrique conjointe
La conception thermique est synchronisée avec la conception électrique et structurelle dès les premiers stades du développement. Par exemple, des simulations sont utilisées pour optimiser la disposition des modules de puissance, en s'assurant que les composants à fort flux thermique sont placés près de l'entrée du fluide de refroidissement.
4. Le système de ligne de vie travaillant en concert
L'alimentation auxiliaire et le système de gestion thermique forment ensemble les principales garanties de sécurité d'un transformateur à état solide. Leur relation peut être résumée comme suit :
4.1 L'alimentation auxiliaire - Assurer la capacité opérationnelle du système
C'est la condition préalable pour s'assurer que le système "peut fonctionner", fournissant de l'énergie à toutes les unités de contrôle, y compris celles du système de gestion thermique (ventilateurs, pompes à eau).
4.2 Le système de gestion thermique - Assurer la durabilité du système
C'est le fondement pour s'assurer que le système "peut maintenir son fonctionnement", protégeant les dispositifs de puissance principaux et l'alimentation auxiliaire elle-même contre les pannes dues à la surchauffe.
Un SST hautement fiable est inévitablement le résultat d'une intégration parfaite d'une conception électrique exceptionnelle, d'une gestion thermique et d'une conception de contrôle.
