SST 보조 전력 및 냉각 시스템의 설계 과제
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. |
3. 고급 열 관리 개념
3.1 예측 열 제어
시스템은 실시간으로 온도와 부하를 모니터링하며, 미래의 온도 상승 경향을 예측하고, 팬 속도, 펌프 속도 또는 출력 전력을 미리 조정하여 온도가 임계치에 도달하는 것을 방지합니다.
3.2 전기-열 공동 설계
열 설계는 개발 초기 단계부터 전기 및 구조 설계와 동기화됩니다. 예를 들어, 시뮬레이션을 사용하여 전력 모듈의 배치를 최적화하여 고 열 유속 구성 요소가 냉각재 입구에 우선적으로 배치되도록 합니다.
4. 함께 작동하는 생명선 시스템
보조 전원 공급과 열 관리 시스템은 고체 변압기의 핵심 보호 장치를 형성합니다. 그들의 관계는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:
4.1 보조 전원 공급 - 시스템 가동성 보장
시스템이 "작동할 수 있"음을 보장하는 전제 조건으로, 열 관리 시스템(팬, 워터펌프 포함)을 포함한 모든 제어 장치에 전력을 공급합니다.
4.2 열 관리 시스템 - 시스템 내구성 보장
시스템이 "지속적으로 작동할 수 있"음을 보장하는 기반이며, 과열로 인한 주 전력 장치와 보조 전원 공급 자체의 손상을 방지합니다.
고도로 신뢰성 있는 SST는 뛰어난 전기 설계, 열 관리, 제어 설계의 완벽한 통합의 결과입니다.
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