Cabaran Reka Bentuk dalam Sistem Kuasa dan Penyejukan Tambahan SST
Dua Subsistem Kritikal dan Menantang dalam Reka Bentuk Penjana Pepejal (SST)
Pembekalan Kuasa Tambahan dan Sistem Pengurusan Haba.
Walaupun mereka tidak terlibat secara langsung dalam tukaran kuasa utama, mereka berfungsi sebagai "lifeline" dan "penjaga" yang memastikan operasi litar utama stabil dan boleh dipercayai.
Pembekalan Kuasa Tambahan: "Pacemaker" Sistem
Pembekalan kuasa tambahan menyediakan kuasa untuk "otak" dan "nervus" keseluruhan penjana pepejal. Kebolehpercayaannya menentukan secara langsung sama ada sistem dapat beroperasi dengan normal.
I. Cabaran Utama
Pemisahan Voltan Tinggi: Ia mesti mengeluarkan kuasa dengan selamat dari sisi voltan tinggi untuk bekalkan litar kawalan dan pemandu pada sisi utama, memerlukan modul kuasa mempunyai kebolehan pemisahan elektrik yang sangat tinggi.
Ketahanan Terhadap Gangguan yang Kuat: Litar kuasa utama yang beralih pada frekuensi tinggi (puluh hingga ratusan kHz) menghasilkan perubahan voltan besar (dv/dt) dan gangguan elektromagnetik (EMI). Pembekalan kuasa tambahan mesti mengekalkan output yang stabil dalam persekitaran yang keras ini.
Keluaran Berbilang dan Tepat:
Kuasa Pemandu Gerbang: Membekalkan kuasa yang terpisah kepada pemandu gerbang setiap pemutus kuasa (contohnya, SiC MOSFETs). Setiap keluaran mesti bebas dan terpisah untuk mencegah crosstalk yang boleh menyebabkan kesalahan shoot-through.
Kuasa Papan Kawalan: Membekalkan kuasa kepada pengawal digital (DSP/FPGA), sensor, dan litar komunikasi, memerlukan kuasa bersih, rendah hingar.
II. Pendekatan Ekstraksi Kuasa dan Reka Bentuk Biasa
Ekstraksi Kuasa Voltan Tinggi: Gunakan pembekal kuasa beralih yang terpisah (seperti konverter flyback) untuk mengekstrak tenaga dari input voltan tinggi. Ini adalah bahagian yang paling mencabar dari segi teknikal dan memerlukan reka bentuk khusus.
Modul DC-DC Terpisah Berganda: Selepas mendapatkan sumber kuasa terpisah awal, biasanya digunakan beberapa modul DC-DC terpisah untuk menghasilkan voltan terpisah tambahan yang diperlukan.
Reka Bentuk Redundansi: Dalam aplikasi yang sangat boleh dipercayai, pembekalan kuasa tambahan mungkin direka dengan redundansi untuk memastikan penutupan selamat atau peralihan tanpa henti ke bekalan cadangan dalam kes gagal sedia ada.
Sistem Pengurusan Haba: "Penyejuk Udara" Sistem
Sistem pengurusan haba menentukan secara langsung ketumpatan kuasa SST, keupayaan output, dan jangka hayat.
Mengapa ia begitu penting?
Ketumpatan Kuasa Sangat Tinggi: Dengan menggantikan transformer frekuensi garis yang besar, SST mengumpulkan tenaga ke dalam modul kuasa yang jauh lebih kecil, menyebabkan peningkatan tajam dalam aliran haba (haba dihasilkan per unit kawasan).
Kesensitivan Temperatur Peranti Semikonduktor: Walaupun peranti kuasa SiC/GaN menawarkan kecekapan yang tinggi, mereka mempunyai had suhu junction yang ketat (biasanya 175°C atau lebih rendah). Overheating menyebabkan penurunan prestasi, kebolehpercayaan berkurangan, atau kegagalan kekal.
Impak Langsung terhadap Kecekapan: Penyejukan yang buruk meningkatkan suhu junction chip, meningkatkan rintangan pada keadaan hidup, yang seterusnya meningkatkan kerugian—mencipta siklus jahat.
III. Jenis-jenis Kaedah Penyejukan
| Kaedah Penyejukan | Prinsip | Skenario Aplikasi dan Ciri-ciri |
| Konveksi Semula Jadi | Haba disebar melalui sirip pada heatsink melalui sirkulasi udara semula jadi. | Sesuai hanya untuk set-up eksperimen daya rendah atau kerugian sangat rendah. Tidak dapat memenuhi keperluan sebahagian besar aplikasi SST. |
| Penyejukan Udara Paksa | Sebuah kipas dipasang pada heatsink untuk meningkatkan aliran udara secara signifikan. | Penyelesaian paling biasa dan berharga paling rendah. Walau bagaimanapun, kapasiti penyejukan terhad, dan kipas memperkenalkan bunyi, jangka hayat terbatas, dan isu penumpukan debu. Sesuai untuk reka bentuk ketumpatan daya sederhana hingga rendah. |
| Penyejukan Cecair | Haba dibuang oleh plat penyejukan cecair dan pam sirkulasi. | Pilihan utama dan disukai untuk SST ketumpatan daya tinggi hari ini. |
| Penyejukan Cecair Plat Sejuk | Peranti kuasa dipasang pada plat logam dalaman dengan saluran cecair. | Kapasiti penyejukan beberapa kali lebih besar daripada penyejukan udara; struktur padat membolehkan suhu sangat rendah di sumber haba. |
| Penyejukan Pelumuran | Seluruh modul kuasa direndam dalam pendingin insulasikan. | Kecekapan penyejukan tertinggi; pelumuran fasa tunggal tanpa mendidih vs. pelumuran fasa dua dengan mendidih. Mampu menangani ketumpatan daya ekstrem, tetapi kompleksitas dan kos sistem paling tinggi. |
3. Konsep Pengurusan Haba Lanjutan
3.1 Kawalan Haba Prediktif
Sistem memantau suhu dan beban secara real-time, meramal trend kenaikan suhu masa depan, dan mengubah laju kipas, kadar pam, atau sedikit mengurangkan kuasa output secara proaktif untuk mencegah suhu mencapai tahap kritikal.
3.2 Reka Bentuk Elektro-Termal Bersama
Reka bentuk termal diselaraskan dengan reka bentuk elektrik dan struktur dari peringkat awal pembangunan. Contohnya, simulasi digunakan untuk mengoptimumkan susun atur modul kuasa, memastikan komponen aliran haba tinggi ditempatkan berdekatan dengan inlet pendingin.
4. Sistem Lifeline Bekerja Secara Harmoni
Pembekalan kuasa tambahan dan sistem pengurusan haba bersama-sama membentuk perlindungan inti penjana pepejal. Hubungan mereka boleh diringkaskan seperti berikut:
4.1 Pembekalan Kuasa Tambahan - Memastikan Kebolehoperasian Sistem
Ia adalah prasyarat untuk memastikan sistem "boleh beroperasi," menyediakan kuasa kepada semua unit kawalan, termasuk sistem pengurusan haba (kipas, pam air).
4.2 Sistem Pengurusan Haba - Memastikan Ketahanan Sistem
Ia adalah batu asas untuk memastikan sistem "boleh bertahan," melindungi peranti kuasa utama dan pembekalan kuasa tambahan sendiri daripada kegagalan akibat overheating.
SST yang sangat boleh dipercayai adalah hasil integrasi sempurna antara reka bentuk elektrik cemerlang, pengurusan haba, dan reka bentuk kawalan.
