SST 보조 전력 및 냉각 시스템의 설계 과제

Dyson

필드: 전기 표준

China

고체 변압기(SST) 설계에서 두 가지 중요한 하위 시스템
보조 전원 공급과 열 관리 시스템.

이들은 주 전력 변환에 직접 참여하지 않지만, 주 회로의 안정적이고 신뢰성 있는 작동을 보장하는 "생명선"과 "수호자" 역할을 합니다.

보조 전원 공급: 시스템의 "심장박동기"

보조 전원 공급은 전체 고체 변압기의 "뇌"와 "신경"에 전력을 공급합니다. 그 신뢰성은 시스템이 정상적으로 작동할 수 있는지 여부를 직접적으로 결정합니다.

I. 핵심 과제

고전압 절연: 고전압 측에서 안전하게 전력을 추출하여 일차 측의 제어 및 드라이버 회로에 공급해야 합니다. 이는 전력 모듈이 매우 높은 전기적 절연 능력을 가져야 함을 의미합니다.
강한 간섭 저항: 주 전력 회로의 고주파 스위칭(수십에서 수백 kHz)은 큰 전압 변동(dv/dt)과 전자기 간섭(EMI)을 생성합니다. 보조 전원 공급은 이러한 혹독한 환경에서도 안정적인 출력을 유지해야 합니다.
다중 정밀 출력:

게이트 드라이버 전력: 각 전력 스위치(예: SiC MOSFET)의 게이트 드라이버에 분리된 전력을 공급합니다. 각 출력은 크로스타stalk으로 인해 총통과 결함을 방지하기 위해 독립적이고 분리되어야 합니다.
제어 보드 전력: 디지털 컨트롤러(DSP/FPGA), 센서, 통신 회로에 깨끗하고 저잡음 전력을 공급합니다.

II. 전형적인 전력 추출 및 설계 접근법

고전압 전력 추출: 고전압 입력에서 에너지를 추출하기 위해 분리된 스위칭 전원 공급(예: 플라이백 변환기)을 사용합니다. 이는 기술적으로 가장 어려운 부분이며 특수 설계가 필요합니다.
다중 출력 분리 DC-DC 모듈: 초기 분리된 전원을 얻은 후, 추가로 필요한 분리된 전압을 생성하기 위해 일반적으로 여러 개의 분리된 DC-DC 모듈을 사용합니다.
중복 설계: 초고 신뢰성 애플리케이션에서는 보조 전원 공급이 중복 설계되어 기본 실패 시 안전한 종료 또는 백업 공급으로의 원활한 전환이 가능하도록 설계될 수 있습니다.

열 관리 시스템: 시스템의 "공기 조절기"

열 관리 시스템은 SST의 전력 밀도, 출력 성능, 수명을 직접적으로 결정합니다.

왜 그렇게 중요한가?

극단적으로 높은 전력 밀도: 부피가 큰 주파수 변압기를 대체하여 SST는 훨씬 작은 전력 모듈에 에너지를 집중시켜 단위 면적당 발생하는 열 유속이 급격히 증가합니다.
반도체 장치의 온도 민감성: SiC/GaN 전력 장치는 높은 효율성을 제공하지만, 접합 온도 제한이 엄격합니다(일반적으로 175°C 이하). 과열은 성능 저하, 신뢰성 감소, 영구적인 손상을 초래합니다.
효율성에 대한 직접적인 영향: 열 방산이 좋지 않으면 칩 접합 온도가 상승하여 on-state 저항이 증가하고, 이는 손실을 증가시키는 악순환을 생성합니다.

III. 냉각 방법의 유형

냉각 방법	원리	응용 사례 및 특징
자연 대류	히트싱크의 핀을 통해 자연적인 공기 순환을 통해 열을 방산합니다.	낮은 전력 또는 매우 낮은 손실 실험 설정에만 적합합니다. 대부분의 SST 응용 사례 요구사항을 충족할 수 없습니다.
강제 공기 냉각	히트싱크에 팬을 장착하여 공기 흐름을 크게 향상시킵니다.	가장 일반적이고 비용이 가장 낮은 해결책입니다. 그러나 열 방산 용량이 제한적이며, 팬은 소음, 제한된 수명, 먼지 축적 문제를 유발합니다. 중간부터 낮은 전력 밀도 설계에 적합합니다.
액체 냉각	액체 냉각 판과 순환 펌프를 통해 열을 제거합니다.	현재 고전력 밀도 SST의 주류이자 선호되는 선택입니다.
냉각 판 액체 냉각	내부 금속 판에 유체 채널을 갖춘 전력 장치를 장착합니다.	공기 냉각보다 몇 배 더 높은 열 방산 능력을 가지고 있으며, 컴팩트한 구조로 열원에서 매우 낮은 온도를 실현할 수 있습니다.
침입 냉각	전체 전력 모듈을 절연 냉각재에 잠깁니다.	가장 높은 열 방산 효율; 비등하지 않는 단일 상 잠김 대비 비등하는 이중 상 잠김. 극단적인 전력 밀도를 처리할 수 있지만, 시스템 복잡성과 비용이 가장 높습니다.