Projekta izaicinājumi SST papildu enerģijas un dzesēšanas sistēmās
Divas kritiskas un izaicinošas apakšsistēmas solid-state pārveidotāju (SST) projektēšanā
Papildu enerģijas avots un siltuma pārvaldības sistēma.
Lai arī tās tieši neatrodas galvenajā enerģijas pārveidošanas procesā, tās darbojas kā "dzīvības līnija" un "aizsargs", nodrošinot galvenās shēmas stabilitāti un uzticamību.
Papildu enerģijas avots: Sistēmas "ritma izveidotājs"
Papildu enerģijas avots nodrošina enerģiju "smadzenēm" un "nerveņiem" visiem solid-state pārveidotājiem. Tā uzticamība tieši nosaka, vai sistēma var normāli darboties.
I. Galvenie izaicinājumi
Augstsprieguma izolācija: Nodrošina drošu enerģijas iegūšanu no augstsprieguma puses, lai piegādātu enerģiju kontroles un pārveidotāju shēmām primārajā pusē, prasot ļoti augstu elektrisku izolāciju.
Stiprais nemainīgumu atsparība: Galvenās enerģijas shēmas augstfrekvences pārslēgšana (desmitiem līdz simtiem kHz) radīt lielus sprieguma impulsus (dv/dt) un elektromagnētisko interferenci (EMI). Papildu enerģijas avots jāuztur stabilā iznākumā šajā grūtajā vidi.
Vairāki, precīzi izvadi:
Vārtu pārveidotāju enerģija: Piegādā izolētu enerģiju katram pārveidotājam (piemēram, SiC MOSFET). Katra izvade jābūt neatkarīgai un izolētai, lai novērstu križojumu, kas varētu izraisīt caurstrūklību kļūdas.
Kontrolējošās dēļas enerģija: Piegādā enerģiju digitālajiem kontrolētājiem (DSP/FPGA), sensoriem un sakaru shēmām, prasot čistu, zemu troksni enerģiju.
II. Tipiskas enerģijas iegūšanas un projektēšanas metodes
Augstsprieguma enerģijas iegūšana: Izmanto izolētu pārslēgšanas enerģijas avotu (piemēram, flyback konverteri), lai iegūtu enerģiju no augstsprieguma ievades. Šī ir tehniski visgrūtākā daļa, kas prasa specializētu dizainu.
Vairākas izolētas DC-DC moduļu izvades: Pēc sākotnējā izolētā enerģijas avota iegūšanas, parasti tiek izmantoti vairāki izolēti DC-DC moduļi, lai ģenerētu papildus nepieciešamās izolētās sprieguma vērtības.
Dubultošanas dizains: Superu uzticamības aplikācijās, papildu enerģijas avots var tikt dizainēts ar dubultošanu, lai nodrošinātu drošu izslēgšanu vai bezproblēmu pāreju uz rezervēto avotu, ja notiek primārās sistēmas kļūda.
Siltuma pārvaldības sistēma: Sistēmas "kondicionieris"
Siltuma pārvaldības sistēma tieši nosaka SST spēja blīvumu, izvades spēju un ilgumu.
Kāpēc tā ir tik kritiska?
Ārkārtīgi augsts spēja blīvums: Aizvietojot smagākus līnijas frekvences pārveidotājus, SST koncentrē enerģiju daudz mazākos spēja moduļos, kas rada strauju siltuma plūsmas (izrādītais siltums vienības laukumā) pieaugumu.
Polāru ierīču temperatūras jūtība: Lai arī SiC/GaN spēja ierīces piedāvā augstu efektivitāti, tām ir stingras savienojuma temperatūras robežas (parasti 175°C vai zemāk). Pārsildīšanās noved pie veiktspējas samazināšanās, uzticamības samazināšanās vai pastāvīgas kļūdas.
Tieša ietekme uz efektivitāti: Sliktas siltuma izdalīšanas dēļ, čipa savienojuma temperatūra paaugstinās, palielinot aktīvo upitājumu, kas savukārt palielina zaudējumus—veidojot neizdevīgu ciklu.
III. Dzesēšanas metožu veidi
| Dzesēšanas metode | Princips | Lietošanas scenāriji un īpašības |
| Naturālā konvekcija | Siltums tiek izdalīts caur radiatori ar finiem, izmantojot naturālo gaisa cirkulāciju. | Atbilst tikai zemas jaudas vai ļoti zemu zaudējumu eksperimentālajiem iestatījumiem. Nevar apmierināt lielāko daļu SST lietojumu prasības. |
| Spiesta gaisa dzesēšana | Radiatorim tiek montēts ventilators, lai būtiski palielinātu gaisa plūsmu. | Visizplatītākais un lētākais risinājums. Tomēr, dzesēšanas spēja ir ierobežota, un ventilatori ievieš troksni, ierobežoto dzīveslaiku un putekļu akumulācijas problēmas. Atbilst vidējas līdz zemas spēja blīvuma dizainiem. |
| Šķidruma dzesēšana | Siltums tiek noņemts, izmantojot šķidruma dzesēšanas plāksni un cirkulācijas pompes. | Pašreizējais un izvēlētais risinājums augstas spēja blīvuma SST. |
| Aukstā plāksnes šķidruma dzesēšana | Spēja ierīces tiek montētas iekšējās metāla plāksnēs ar šķidruma kanāliem. | Dzesēšanas spēja ir vairākas reizes lielāka nekā gaisa dzesēšana; kompakta struktūra ļauj ļoti zemu temperatūru siltuma avotā. |
| Apdzēšana šķidrumā | Visa spēja modulis tiek ievelkts izolētā šķidrumā. | Augstākā dzesēšanas efektivitāte; nevaļojošs vienfase apdzēšana vs. vaļojoša divfase apdzēšana. Spēj apstrādāt ārkārtīgi augstus spēja blīvumus, bet sistēmas sarežģītība un izmaksas ir visaugstākās. |
3. Uzlabotas siltuma pārvaldības konceptes
3.1 Prognostiskā siltuma kontrolēšana
Sistēma tiešraidē monitorē temperatūru un slodzi, prognozē nākotnes temperatūras pieauguma tendences un iepriekš pielāgo ventilatoru ātrumus, pompes ātrumus vai pat mazliet samazina izvades jaudu, lai novērstu temperatūras sasniedzana kritiskajiem līmeņiem.
3.2 Elektrotermiskais kopdizains
Siltuma dizains tiek sinhronizēts ar elektrisku un strukturālu dizainu no izstrādes sākuma. Piemēram, simulācijas tiek izmantotas, lai optimizētu spēja moduļu izkārtojumu, nodrošinot, ka augstā siltuma plūsma ierīces tiek prioritāri novietotas tuvāk šķidruma ievades vietā.
4. Dzīvības līnijas sistēma, kas strādā kooperācijā
Papildu enerģijas avoti un siltuma pārvaldības sistēmas kopā veido solid-state pārveidotāju galvenos aizsardzības mehānismus. To attiecības var apkopot šādi:
4.1 Papildu enerģijas avots - nodrošina sistēmas darbību
Tas ir priekšnosacījums, lai nodrošinātu, ka sistēma "var darboties," piegādājot enerģiju visiem kontrolējošajiem vienībām, tostarp siltuma pārvaldības sistēmai (ventilatoriem, ūdens pompām).
4.2 Siltuma pārvaldības sistēma - nodrošina sistēmas ilgumu
Tas ir pamats, lai nodrošinātu, ka sistēma "var ilgstoši darboties," aizsargājot galvenās spēja ierīces un pašu papildu enerģijas avotu no pārsildīšanās radītām kļūdām.
Augsti uzticams SST ir neapšaubāmi perfekta integrācijas rezultāts, kas ietver izcilu elektrisko dizainu, siltuma pārvaldību un kontrolējošo dizainu.
