Tantangan Desain dalam Sistem Tenaga Bantu dan Pendinginan SST
Dua Subsistem Kritis dan Menantang dalam Desain Solid-State Transformer (SST)
Sumber Daya Listrik Pendukung dan Sistem Manajemen Termal.
Meskipun mereka tidak secara langsung berpartisipasi dalam konversi daya utama, mereka berfungsi sebagai "lifeline" dan "penjaga" yang memastikan operasi sirkuit utama stabil dan dapat diandalkan.
Sumber Daya Listrik Pendukung: "Pacemaker" Sistem
Sumber daya listrik pendukung menyediakan daya untuk "otak" dan "saraf" seluruh solid-state transformer. Keandalannya secara langsung menentukan apakah sistem dapat beroperasi normal.
I. Tantangan Inti
Isolasi Tegangan Tinggi: Harus dapat mengambil daya dari sisi tegangan tinggi dengan aman untuk mensuplai sirkuit kontrol dan driver pada sisi primer, memerlukan modul daya memiliki kemampuan isolasi listrik yang sangat tinggi.
Imunitas Terhadap Gangguan yang Kuat: Sirkuit daya utama yang melakukan switching frekuensi tinggi (puluhan hingga ratusan kHz) menghasilkan lonjakan tegangan besar (dv/dt) dan gangguan elektromagnetik (EMI). Sumber daya listrik pendukung harus tetap menjaga output yang stabil dalam lingkungan yang keras ini.
Output Banyak dan Akurat:
Daya Driver Gerbang: Menyediakan daya terisolasi untuk driver gerbang setiap saklar daya (misalnya, SiC MOSFET). Setiap output harus independen dan terisolasi untuk mencegah crosstalk yang dapat menyebabkan kesalahan shoot-through.
Daya Papan Kontrol: Menyalurkan daya ke pengontrol digital (DSP/FPGA), sensor, dan sirkuit komunikasi, membutuhkan daya bersih dan rendah noise.
II. Pendekatan Ekstraksi Daya dan Desain yang Umum
Ekstraksi Daya Tegangan Tinggi: Gunakan sumber daya listrik switching terisolasi (misalnya, konverter flyback) untuk mengekstrak energi dari input tegangan tinggi. Ini adalah bagian paling menantang secara teknis dan memerlukan desain khusus.
Modul DC-DC Terisolasi Multi-Output: Setelah mendapatkan sumber daya terisolasi awal, biasanya digunakan beberapa modul DC-DC terisolasi untuk menghasilkan tegangan terisolasi tambahan yang diperlukan.
Desain Redundansi: Dalam aplikasi ultra-reliabilitas, sumber daya listrik pendukung mungkin didesain dengan redundansi untuk memastikan shutdown aman atau beralih tanpa hambatan ke sumber cadangan jika terjadi kegagalan utama.
Sistem Manajemen Termal: "AC" Sistem
Sistem manajemen termal secara langsung menentukan kepadatan daya SST, kemampuan output, dan umur pakai.
Mengapa begitu kritis?
Kepadatan Daya Sangat Tinggi: Dengan menggantikan transformator frekuensi garis yang besar, SST mengonsentrasikan energi ke dalam modul daya yang jauh lebih kecil, mengarah pada peningkatan tajam dalam aliran panas (panas yang dihasilkan per unit area).
Ketahanan Suhu Perangkat Semikonduktor: Meskipun perangkat daya SiC/GaN menawarkan efisiensi tinggi, mereka memiliki batasan suhu juncti yang ketat (biasanya 175°C atau lebih rendah). Overheating menyebabkan penurunan kinerja, menurunkan keandalan, atau kegagalan permanen.
Dampak Langsung pada Efisiensi: Penyebaran panas yang buruk meningkatkan suhu juncti chip, meningkatkan resistansi on-state, yang pada gilirannya meningkatkan kerugian—membuat siklus yang merugikan.
III. Jenis Metode Pendinginan
| Metode Pendinginan | Prinsip | Skenario Aplikasi dan Fitur |
| Konveksi Alami | Panas disebar melalui sirip pada heatsink melalui sirkulasi udara alami. | Hanya cocok untuk setup eksperimental daya rendah atau kerugian sangat rendah. Tidak dapat memenuhi persyaratan sebagian besar aplikasi SST. |
| Pendinginan Udara Paksa | Sebuah kipas dipasang pada heatsink untuk meningkatkan aliran udara secara signifikan. | Solusi paling umum dan biaya terendah. Namun, kapasitas pendinginan terbatas, dan kipas memperkenalkan masalah kebisingan, umur layanan terbatas, dan akumulasi debu. Cocok untuk desain dengan kepadatan daya sedang hingga rendah. |
| Pendinginan Cair | Panas dihilangkan oleh plat pendingin cair dan pompa sirkulasi. | Pilihan utama dan disukai untuk SST dengan kepadatan daya tinggi saat ini. |
| Pendinginan Cair Plat Dingin | Perangkat daya dipasang pada pelat logam internal dengan saluran fluida. | Kapasitas pendinginan beberapa kali lipat dibandingkan pendinginan udara; struktur padat memungkinkan suhu sangat rendah di sumber panas. |
| Pendinginan Immersi | Seluruh modul daya direndam dalam pendingin isolasi. | Efisiensi pendinginan tertinggi; immersi fasa tunggal non-mendidih vs. immersi fasa dua mendidih. Mampu menangani kepadatan daya ekstrem, tetapi kompleksitas dan biaya sistem tertinggi. |
3. Konsep Manajemen Termal Lanjutan
3.1 Kontrol Termal Prediktif
Sistem memonitor suhu dan beban secara real-time, memprediksi tren kenaikan suhu di masa depan, dan menyesuaikan kecepatan kipas, laju pompa, atau bahkan sedikit mengurangi daya output untuk mencegah suhu mencapai level kritis.
3.2 Co-Design Elektro-Termal
Desain termal disinkronkan dengan desain listrik dan struktural sejak tahap awal pengembangan. Misalnya, simulasi digunakan untuk mengoptimalkan layout modul daya, memastikan komponen dengan aliran panas tinggi ditempatkan lebih dekat ke inlet pendingin.
4. Sistem Lifeline Bekerja Bersama
Sumber daya listrik pendukung dan sistem manajemen termal bersama-sama membentuk lindung inti dari solid-state transformer. Hubungan mereka dapat diringkas sebagai berikut:
4.1 Sumber Daya Listrik Pendukung - Memastikan Operasional Sistem
Ini adalah prasyarat untuk memastikan bahwa sistem "dapat beroperasi," menyediakan daya ke semua unit kontrol, termasuk sistem manajemen termal (kipas, pompa air).
4.2 Sistem Manajemen Termal - Memastikan Ketahanan Sistem
Ini adalah fondasi untuk memastikan bahwa sistem "dapat bertahan beroperasi," melindungi perangkat daya utama dan sumber daya listrik pendukung sendiri dari kegagalan akibat overheating.
SST yang sangat andal adalah hasil integrasi sempurna dari desain listrik, manajemen termal, dan desain kontrol yang luar biasa.
