Utfordringer i design av SST-hjelpestrøm- og kjølesystemer
To kritiske og utfordrende underenheter i designet av fasttilstandstransformatorer (SST)
Hjelpestrømforsyning og termisk systemstyring.
Selv om de ikke direkte deltar i hovedstrømsoverføringen, fungerer de som "livslinjen" og "vokteren" for å sikre stabil og pålitelig drift av hovedkretsen.
Hjelpestrømforsyning: Systemets "pacemaker"
Hjelpestrømforsyningen gir strøm til "hjernen" og "nervene" i hele den fasttilstandstransformator. Dens pålitelighet bestemmer direkte om systemet kan fungere normalt.
I. Kjerneutfordringer
Høyspenningsisolering: Den må trygt trekke strøm fra høyspenningsiden for å forsyne kontroll- og drivereenheter på primærside, noe som krever at strømmodulen har ekstremt høy elektrisk isolasjonsevne.
Sterk immun mot støy: Hovedstrømkretsens høyfrekvente skift (tiere til hundrevis av kHz) genererer store spenningsfluktuasjoner (dv/dt) og elektromagnetisk støy (EMI). Hjelpestrømforsyningen må opprettholde stabil utdata i denne tøffe miljøet.
Flere, nøyaktige utdata:
Gatedriverstrøm: Forsyner isolert strøm til gatedriverne for hver strømswitch (for eksempel SiC MOSFETs). Hver utdata må være uavhengig og isolert for å unngå krysssnakking som kan forårsake gjennomtrekkfeil.
Kontrollbordsstrøm: Forsyner digitale kontroller (DSP/FPGA), sensorer og kommunikasjonskretser, noe som krever ren, lavstøy strøm.
II. Typiske metoder for strømtrekking og design
Høyspenningsstrømtrekking: Bruk en isolert skiftende strømforsyning (for eksempel flyback-konverter) for å trekke energi fra høyspenningsinngangen. Dette er den teknisk mest utfordrende delen og krever spesialisert design.
Flere utdata-isolerte DC-DC-moduler: Etter å ha fått en initial isolert strømforsyning, brukes vanligvis flere isolerte DC-DC-moduler for å generere de ytterligere nødvendige isolerte spenningsnivåene.
Redundansdesign: I applikasjoner med ekstremt høy pålitelighet, kan hjelpestrømforsyningen være designet med redundans for å sikre trygg nedstenging eller ubrudt overgang til en reservestruktur i tilfelle primærforsyning mislykkes.
Termisk systemstyring: Systemets "luftkondisjonering"
Termisk systemstyring bestemmer direkte SSTs effektivitet, utdatabetydning og levetid.
Hvorfor er det så viktig?
Ekstremt høy effektdensitet: Ved å erstatte klumpete linje-frekvens-transformatorer, koncentrerer SSTs energien inn i mye mindre strømkrefter, noe som fører til et skarpt øk i varmeflukten (varme generert per enhet areal).
Temperaturfølsomhet hos halvleder-enheter: Selv om SiC/GaN-strømenheter tilbyr høy effektivitet, har de strengt junctionstemperaturegrenser (typisk 175°C eller lavere). Overoppvarming fører til prestasjonsnedgang, redusert pålitelighet eller permanent feil.
Direkte innvirkning på effektivitet: Dårlig varmedisseminasjon øker chipjunctionstemperaturen, øker påstandresistansen, noe som igjen øker tap—skaper en ond cirkel.
III. Typer kjølemetoder
| Kjølemetode | Prinsipp | Anvendelsesscenarier og egenskaper |
| Naturkonveksjon | Varme dissiperes gjennom finner på kylere via naturlig luftomsetning. | Bare passende for laveffekt eller meget lavtap eksperimentelle oppsett. Kan ikke møte kravene til de fleste SST-applikasjoner. |
| Tvinget luftkjøling | En vifte monteres på kylere for å betydelig forbedre luftstrøm. | Den mest alminnelige og billigste løsningen. Imidlertid er varmedisseminasjonskapasiteten begrenset, og ventilatorer introduserer støy, begrenset levetid og støvakkumulasjonsproblemer. Passende for medium- til lav-effekt-densitetsdesigner. |
| Væskedrivet kjøling | Varme fjernes av en væskedrevet kylplate og sirkulasjonspumpe. | Den mest populære valget for høy-effekt-densitets SSTs i dag. |
| Koldplate væskedrivet kjøling | Strømenheter monteres på interne metallplater med væskedannelser. | Varmedisseminasjonskapasiteten er flere ganger høyere enn ved luftkjøling; kompakt struktur muliggjør svært lav temperatur ved varmekilden. |
| Immersion kjøling | Hele strømmodulen dyppes i en isolerende kjølevæske. | Høyeste varmedisseminasjonskapasitet; ikke-kokende enfas immersion vs kokende tofas immersion. Kan håndtere ekstreme effekt-densiteter, men systemkompleksiteten og kostnaden er høyest. |
3. Avanserte konsepter for termisk systemstyring
3.1 Prediktiv termisk kontroll
Systemet overvåker temperatur og belastning i sanntid, forutsier fremtidige temperaturstigningstrender, og forebygger fantrykk, pumprater eller enda litt reduserer utdatapotensial for å hindre at temperaturer når kritiske nivåer.
3.2 Elektrotermisk samdesign
Termisk design synkroniseres med elektrisk og strukturell design fra tidlige utviklingsstadier. For eksempel, simuleringer brukes for å optimere layout av strømmoduler, for å sikre at høy varmefluxkomponenter er plassert nær kjølevæskedinletten.
4. Livlinjesystemet arbeider sammen
Hjelpestrømforsyninger og termiske systemstyringer danner sammen kjernegardister for en fasttilstandstransformator. Deres relasjon kan summeres slik:
4.1 Hjelpestrømforsyningen - Sikrer systemoperativitet
Det er forutsetningen for å sikre at systemet "kan operere", gir strøm til alle kontroleenheter, inkludert de av termisk systemstyring (ventilatorer, vannpumper).
4.2 Termisk systemstyring - Sikrer systemholdbarhet
Det er grunnlaget for å sikre at systemet "kan fortsette å operere", beskytter hovedstrømenheter og selve hjelpestrømforsyningen fra mislykking på grunn av overoppvarming.
En høytpålitelig SST er uunngåelig resultatet av en perfekt integrasjon av fremragende elektrisk design, termisk systemstyring og kontroldesign.
