Desafíos de deseño nos sistemas auxiliares de enerxía e refrigeración SST
Dous Subsistemas Críticos e Desafiantes no Diseño de Transformadores de Estado Sólido (SST)
Suministro de Potencia Auxiliar e Sistema de Xestión Térmica.
Aínda que non participan directamente na conversión principal de potencia, actúan como a "liña de vida" e o "guardián" para asegurar un funcionamento estable e fiable do circuito principal.
Suministro de Potencia Auxiliar: O "Marcador de Ritmo" do Sistema
O suministro de potencia auxiliar proporciona enerxía para o "cérebro" e os "nervios" de todo o transformador de estado sólido. A súa fiabilidade determina directamente se o sistema pode operar normalmente.
I. Desafíos Núcleo
Aislamento de Alta Tensión: Debe extraer a enerxía de forma segura do lado de alta tensión para abastecer os circuitos de control e conducción do lado primario, requirendo que o módulo de potencia teña unha capacidade de aislamento eléctrico extremadamente alta.
Alta Inmunidade a Interferencias: O conmutado de alta frecuencia (de decenas a centos de kHz) do circuito principal de potencia xera grandes transitorios de tensión (dv/dt) e interferencia electromagnética (EMI). O suministro de potencia auxiliar debe manter unha saída estable neste ambiente adverso.
Múltiples Saídas Precisas:
Potencia para Conductores de Porta: Proporciona potencia aislada aos conductores de porta de cada interruptor de potencia (por exemplo, SiC MOSFETs). Cada saída debe ser independente e aislada para evitar crosstalk que poida causar fallos de travesía.
Potencia para a Placa de Control: Abastece controladores dixitais (DSP/FPGA), sensores e circuitos de comunicación, requirindo potencia limpa e de baixo ruido.
II. Métodos Tipicos de Extracción de Potencia e Enfoques de Diseño
Extracción de Potencia de Alta Tensión: Emprega un suministro de potencia conmutada aislada (por exemplo, convertidor flyback) para extraer enerxía da entrada de alta tensión. Esta é a parte máis técnica e desafiante e require un deseño especializado.
Módulos DC-DC Múltiples Aislados: Despois de obter unha fonte de potencia aislada inicial, xeralmente empreganse múltiples módulos DC-DC aislados para xerar as voltaxes aisladas adicionais necesarias.
Deseño Redundante: En aplicacións de ultra-alta fiabilidade, o suministro de potencia auxiliar pode deseñarse con redundancia para asegurar un apagado seguro ou un cambio sinxelo a un suministro de reserva en caso de fallo do principal.
Sistema de Xestión Térmica: O "Aire Acondicionado" do Sistema
O sistema de xestión térmica determina directamente a densidade de potencia, a capacidade de saída e a lonxevidade do SST.
Por que é tan crítico?
Densidade de Potencia Extremadamente Alta: Ao substituír transformadores de frecuencia de liña voluminosos, os SSTs concentran a enerxía en módulos de potencia moito máis pequenos, levando a un aumento agudo no fluxo de calor (calor xerado por unidade de área).
Sensibilidade Térmica dos Dispositivos Semiconductores: Aínda que os dispositivos de potencia SiC/GaN ofrezan alta eficiencia, teñen límites estritos de temperatura de unión (tipicamente 175°C ou inferior). O sobrecalentamento leva a un deterioro do rendemento, menor fiabilidade ou falla permanente.
Impacto Directo na Eficiencia: Unha mala dissipación de calor aumenta a temperatura de unión do chip, incrementando a resistencia en estado de conducción, o que a súa vez aumenta as perdas—creando un ciclo vicioso.
III. Tipos de Métodos de Refrixeración
| Método de Refrixeración | Principio | Escenarios de Aplicación e Características |
| Convección Natural | O calor dissípase a través de aletas no disipador de calor mediante circulación natural do aire. | Apto só para configuracións experimentais de baixa potencia ou perdas moi baixas. Non pode cumprir os requisitos de moitas aplicacións de SST. |
| Refrixeración Forzada por Aire | Un ventilador montado no disipador de calor para mellorar significativamente a circulación de aire. | A solución máis común e de menor custo. No entanto, a capacidade de dissipación de calor está limitada, e os ventiladores introducen ruido, vida útil limitada e problemas de acumulación de polvo. Apto para diseños de densidade de potencia media a baixa. |
| Refrixeración Líquida | O calor retírase mediante unha placa de refrixeración líquida e unha bomba de circulación. | A opción predominante e preferida para SSTs de alta densidade de potencia actualmente. |
| Refrixeración Líquida por Placa Fría | Os dispositivos de potencia montanse en placas metálicas internas con canais de fluido. | A capacidade de dissipación de calor é varias veces maior que a do aire; a estructura compacta permite unha temperatura moito máis baixa na fonte de calor. |
| Refrixeración por Inmersión | Todo o módulo de potencia submerge-se nun refrigerante aislante. | A máxima eficiencia de dissipación de calor; inmersión monofásica non hirviente vs. inmersión bifásica hirviente. Capaz de manejar densidades de potencia extremas, pero a complexidade e o custo do sistema son os máis altos. |
3. Conceptos Avanzados de Xestión Térmica
3.1 Control Térmico Predictivo
O sistema monitoriza a temperatura e a carga en tempo real, predice as tendencias futuras de aumento de temperatura e axusta previamente as velocidades dos ventiladores, as taxas das bombas ou incluso reduce ligeramente a potencia de saída para prevenir que as temperaturas alcancen niveis críticos.
3.2 Co-Deseño Electro-Térmico
O deseño térmico sincronízase co deseño eléctrico e estrutural desde as etapas iniciais do desenvolvemento. Por exemplo, empreganse simulacións para optimizar a disposición dos módulos de potencia, asegurando que os componentes de alto fluxo de calor están preferentemente colocados preto da entrada de refrigerante.
4. O Sistema de Liña de Vida Funcionando en Concerto
Os suministros de potencia auxiliares e os sistemas de xestión térmica forman xuntos as principais salvagardas dun transformador de estado sólido. A súa relación pode resumirse así:
4.1 O Suministro de Potencia Auxiliar - Assegurando a Operabilidade do Sistema
É o prerequisito para asegurar que o sistema "pode operar", proporcionando potencia a todas as unidades de control, incluíndo as do sistema de xestión térmica (ventiladores, bombas de auga).
4.2 O Sistema de Xestión Térmica - Assegurando a Durabilidade do Sistema
É a pedra angular para asegurar que o sistema "pode sostener a operación", protexendo os dispositivos de potencia principal e o propio suministro de potencia auxiliar de fallos debido ao sobrecalentamento.
Un SST altamente fiable é inevitabelmente o resultado dunha integración perfecta de un deseño eléctrico excelente, xestión térmica e deseño de control.
