Ontwerpopdrachten in SST-auxiliare energie- en koelsystemen
Twee Kritieke en Uitdagende Onderdelen in de Ontwerp van Vaste Toestand Transformatoren (SST)
Hulpkrachtvoorziening en Thermisch Beheersysteem.
Hoewel ze niet direct deelnemen aan de hoofdenergie-omzetting, fungeren ze als de "levenslijn" en "bewaker" die ervoor zorgen dat het hoofdcircuit stabiel en betrouwbaar werkt.
Hulpkrachtvoorziening: De "Pacemaker" van het Systeem
De hulpkrachtvoorziening levert stroom voor de "hersenen" en "zenuwen" van de hele vaste toestand transformatoren. De betrouwbaarheid ervan bepaalt direct of het systeem normaal kan functioneren.
I. Kernuitdagingen
Hoogspanningsisolatie: Het moet veilig energie uit de hoogspanningskant kunnen halen om de controle- en stuurcircuits op de primaire kant te voeden, waardoor de krachtmodule uiterst hoge elektrische isolatiecapaciteit nodig heeft.
Sterke Immunitiet tegen Stoorsignalen: De hoge-frequentie schakeling (tientallen tot honderden kHz) van het hoofdenergiecircuit genereert grote spanningsschommelingen (dv/dt) en elektromagnetische interferentie (EMI). De hulpkrachtvoorziening moet in deze ruige omgeving een stabiele uitvoer behouden.
Meerdere, Precieze Uitvoer:
Poortstuurkracht: Levert geïsoleerde kracht aan de poortstuurders van elke krachtswitch (bijv. SiC MOSFETs). Elke uitvoer moet onafhankelijk en geïsoleerd zijn om kruispraat te voorkomen die doorlaatfouten zou kunnen veroorzaken.
Controlebordkracht: Voedt digitale controllers (DSP/FPGA), sensoren en communicatiecircuits, wat schone, laag-geluidskracht vereist.
II. Typische Energie-extractie en Ontwerpprocedures
Hoogspanningsenergie-extractie: Gebruik een geïsoleerde schakelkrachtvoorziening (bijv. flyback converter) om energie uit de hoogspanningsinvoer te halen. Dit is het technisch meest uitdagende deel en vereist gespecialiseerd ontwerp.
Multi-uitvoer geïsoleerde DC-DC modules: Na het verkrijgen van een initiële geïsoleerde krachtbron, worden meestal meerdere geïsoleerde DC-DC modules gebruikt om extra benodigde geïsoleerde spanningen te genereren.
Redundantieontwerp: In ultra-hoge betrouwbaarheidsapplicaties kan de hulpkrachtvoorziening met redundantie worden ontworpen om veilige afsluiting of naadloze overschakeling naar een back-upvoorziening te garanderen in geval van primaire storing.
Thermisch Beheersysteem: De "Airconditioning" van het Systeem
Het thermisch beheersysteem bepaalt direct de energiedichtheid, uitvoercapaciteit en levensduur van de SST.
Waarom is het zo cruciaal?
Extreem Hoog Energielijndichtheid: Door de vervanging van zware lijnfrequentie transformatoren concentreren SST's energie in veel kleinere krachtmodules, wat leidt tot een scherpe toename van de warmtestroom (warmte gegenereerd per oppervlakte-eenheid).
Temperatuurgevoeligheid van Halbleiders: Hoewel SiC/GaN krachttoestellen hoge efficiëntie bieden, hebben ze strikte verbindingstemperatuurlimieten (meestal 175°C of lager). Oververhitting leidt tot prestatieverlies, verminderde betrouwbaarheid of permanente storing.
Directe Invloed op Efficiëntie: Slechte warmteafvoer verhoogt de chipverbindingstemperatuur, waardoor de weerstand in geleide toestand toeneemt, wat op zijn beurt leidt tot hogere verliezen—een vicieuze cirkel.
III. Soorten Koelmethode
| Koelmethode | Principe | Toepassingsscenario's en Kenmerken |
| Natuurlijke Convector | Warmte wordt via natuurlijke luchtcirculatie gedissipeerd door ribben op de koeler. | Alleen geschikt voor lage-kracht of zeer lage-verlies experimentele opstellingen. Kan de eisen van de meeste SST-toepassingen niet voldoen. |
| Geforceerde Luchtverkoeling | Een ventilator wordt op de koeler gemonteerd om de luchtstroom aanzienlijk te versterken. | De meest voorkomende en goedkoopste oplossing. Echter, de warmteafvoerkapaciteit is beperkt, en ventilatoren brengen lawaai, beperkte levensduur en stofaccumulatieproblemen met zich mee. Geschikt voor middel- tot lage-krachtdichtheidsontwerpen. |
| Vloeistofkoeling | Warmte wordt verwijderd door een vloeistofkoelplaat en circulatiepomp. | De mainstream en voorkeurskeuze voor hoge-krachtdichtheids SST's vandaag de dag. |
| Koude Plaat Vloeistofkoeling | Krachttoestellen worden gemonteerd op interne metalen platen met vloeistoffenkanalen. | De warmteafvoerkapaciteit is meerdere malen groter dan bij luchtverkoeling; compacte structuur maakt zeer lage temperatuur bij de warmtebron mogelijk. |
| Onderdompeling Verkoeling | Het hele krachtmodule wordt ondergedompeld in een isolerende vloeistof. | Hoogste warmteafvoer-efficiëntie; niet-kokende éénfasige onderdompeling versus kokende twee-fasige onderdompeling. Kan extreme krachtdichtheden aan, maar systeemcomplexiteit en -kosten zijn het hoogst. |
3. Geavanceerde Concepten voor Thermisch Beheer
3.1 Voorspellend Thermisch Beheer
Het systeem monitort de temperatuur en belasting in real-time, voorspelt toekomstige temperatuurstijgingstrends, en past proactief ventilatorsnelheden, pompdebieten of zelfs lichtjes verminderde uitvoervermogen aan om te voorkomen dat temperaturen kritieke niveaus bereiken.
3.2 Elektro-Thermische Co-Design
Thermisch ontwerp wordt vanaf de vroege ontwikkelingsfase gesynchroniseerd met elektrisch en structureel ontwerp. Bijvoorbeeld, simulaties worden gebruikt om de layout van krachtmodules te optimaliseren, zodat componenten met hoge warmtestroom voorkeurig dicht bij de vloeistofinlaten worden geplaatst.
4. Het Levenslijnsysteem Samenwerkend
Hulpkrachtvoorzieningen en thermische beheersystemen vormen samen de kernbescherming van een vaste toestand transformatoren. Hun relatie kan worden samengevat als volgt:
4.1 De Hulpkrachtvoorziening - Zorg voor Systeemoperabiliteit
Dit is de voorwaarde om ervoor te zorgen dat het systeem "kan opereren", door stroom te leveren aan alle controle-eenheden, inclusief die van het thermische beheersysteem (ventilatoren, waterpompen).
4.2 Het Thermische Beheersysteem - Zorg voor Systeemdurableheid
Dit is de hoeksteen om ervoor te zorgen dat het systeem "kan blijven opereren", door hoofdkrachttoestellen en de hulpkrachtvoorziening zelf te beschermen tegen storingen door oververhitting.
Een zeer betrouwbare SST is onvermijdelijk het resultaat van een perfecte integratie van uitstekend elektrisch ontwerp, thermisch beheer en controleontwerp.
