SST補助電力および冷却システムの設計上の課題

Dyson

フィールド: 電気規格

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固体変圧器（SST）設計における2つの重要なサブシステム
補助電源と熱管理システム。

これらは主な電力変換には直接関与しませんが、主回路の安定かつ信頼性の高い動作を確保する「生命線」と「守護者」の役割を果たします。

補助電源：システムの「ペースメーカー」

補助電源は、固体変圧器全体の「脳」と「神経」に電力を供給します。その信頼性はシステムが正常に動作できるかどうかを直接決定します。

I. 核心的な課題

高電圧隔離：高電圧側から安全に電力を抽出し、一次側の制御およびドライバ回路に供給する必要があります。これには電力モジュールが非常に高い電気的隔離能力を持つことが求められます。
強い干渉耐性：主電力回路の高周波スイッチング（数十kHzから数百kHz）により、大きな電圧変動（dv/dt）と電磁干渉（EMI）が発生します。補助電源はこのような厳しい環境で安定した出力を維持する必要があります。
複数の精密な出力：

ゲートドライバ電源：各電力スイッチ（例：SiC MOSFET）のゲートドライバに隔離された電力を供給します。各出力は独立して隔離され、クロストークによるショート故障を防ぐ必要があります。
制御ボード電源：デジタルコントローラ（DSP/FPGA）、センサー、通信回路にクリーンで低ノイズの電力を供給します。

II. 典型的な電力抽出と設計アプローチ

高電圧からの電力抽出：アイソレートされたスイッチング電源（例：フライバックコンバータ）を使用して高電圧入力からエネルギーを抽出します。これは技術的に最も困難な部分であり、専門的な設計が必要です。
マルチ出力アイソレートDC-DCモジュール：初期のアイソレート電源を得た後、通常は複数のアイソレートDC-DCモジュールを使用して追加の必要なアイソレート電圧を生成します。
冗長設計：超高信頼性アプリケーションでは、補助電源は冗長設計されており、プライマリ障害時に安全なシャットダウンまたはバックアップ電源へのシームレスな切り替えを可能にします。

熱管理システム：システムの「エアコンディショナー」

熱管理システムは、SSTの電力密度、出力能力、寿命を直接決定します。

なぜそれが重要なのか？

極めて高い電力密度：大型の商用周波数変圧器を置き換えることで、SSTはより小さなパワーモジュールにエネルギーを集中させ、単位面積あたりの発熱量（熱流束）が急激に増加します。
半導体デバイスの温度感度：SiC/GaN電力デバイスは高効率ですが、接合温度には厳格な制限（通常175°C以下）があります。過熱は性能の低下、信頼性の低下、または永久的な故障につながります。
効率への直接的な影響：熱放出が不十分だと、チップの接合温度が上昇し、オン抵抗が増加し、損失も増加します。これが悪循環を作ります。

III. 冷却方法の種類

冷却方法	原理	適用シナリオと特徴
自然対流	ヒートシンクのフィンを通じて自然な空気循環により熱を放出します。	低電力または非常に低損失の実験セットアップにのみ適しています。多くのSSTアプリケーションの要件を満たすことはできません。
強制空冷	ヒートシンクにファンを取り付けて空気流量を大幅に増やします。	最も一般的でコストが最も低い解決策です。ただし、熱放散能力には限界があり、ファンはノイズ、寿命の短さ、塵の蓄積などの問題を引き起こします。中・低電力密度設計に適しています。
液体冷却	液体冷却プレートと循環ポンプを使用して熱を除去します。	現在の高電力密度SSTの主流かつ好ましい選択肢です。
コールドプレート液体冷却	内部の金属プレートに流体チャネルを持ち、電力デバイスを取り付けます。	空冷よりも数倍の熱放散能力を持ち、コンパクトな構造で熱源の温度を非常に低く保つことができます。
浸漬冷却	全電力モジュールを絶縁冷却液に浸けます。	最高の熱放散効率を持つ；非沸騰単相浸漬と沸騰二相浸漬。極端な電力密度に対応できますが、システムの複雑さとコストが最も高くなります。