SST補助電力および冷却システムの設計上の課題

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

3. 先進的な熱管理概念

3.1 予測熱制御
システムはリアルタイムで温度と負荷を監視し、将来の温度上昇傾向を予測し、事前にファンの速度、ポンプの速度、または出力電力の微調整を行い、温度が危険レベルに達するのを防ぎます。

3.2 電気熱共同設計
開発の初期段階から熱設計は電気設計と構造設計と同期されます。例えば、シミュレーションを使用してパワーモジュールのレイアウトを最適化し、高熱流束のコンポーネントが冷却剤の入口に優先的に配置されるようにします。

4. 協調して働く生命線システム

補助電源と熱管理システムは、固体変圧器の核心的な保護装置を形成します。それらの関係は以下の通りです：

4.1 補助電源 - システムの動作を確保
システムが「動作できる」ことを保証する前提条件であり、すべての制御ユニット、熱管理システム（ファン、水ポンプ）を含む電力を供給します。

4.2 熱管理システム - システムの耐久性を確保
システムが「継続的に動作できる」ことを保証する基礎であり、過熱による主電力デバイスと補助電源自体の故障から保護します。

高度に信頼性のあるSSTは、優れた電気設計、熱管理、制御設計の完璧な統合の結果です。