Проблемы проектирования в вспомогательных системах питания и охлаждения SST
Две критически важные и сложные подсистемы в проектировании твердотельного трансформатора (SST)
Вспомогательное питание и система термического управления.
Хотя они не участвуют напрямую в основной преобразовательной цепи, они служат "жизненной линией" и "защитником", обеспечивая стабильную и надежную работу основной схемы.
Вспомогательное питание: "Пейсмейкер" системы
Вспомогательное питание обеспечивает энергией "мозг" и "нервную систему" всего твердотельного трансформатора. Его надежность непосредственно определяет, сможет ли система работать нормально.
I. Основные вызовы
Высоковольтная изоляция: Необходимо безопасно извлекать энергию со стороны высокого напряжения для питания управляющих и драйверных цепей на первичной стороне, что требует от модуля питания крайне высокой электрической изоляции.
Стойкость к помехам: Высокочастотное переключение (десятки до сотен кГц) в основной силовой цепи генерирует большие переходные процессы по напряжению (dv/dt) и электромагнитные помехи (EMI). Вспомогательное питание должно поддерживать стабильный выход в таких жестких условиях.
Множественные точные выходы:
Питание драйверов затворов: Поставляет изолированное питание для драйверов затворов каждого силового ключа (например, SiC MOSFET). Каждый выход должен быть независимым и изолированным, чтобы предотвратить взаимное влияние, которое может привести к пробою.
Питание управляющей платы: Питает цифровые контроллеры (DSP/FPGA), датчики и цепи связи, требуя чистое, низкошумное питание.
II. Типичные методы извлечения энергии и подходы к проектированию
Извлечение энергии при высоком напряжении: Используется изолированный импульсный источник питания (например, обратноходовый преобразователь) для извлечения энергии из входа высокого напряжения. Это самая технически сложная часть, требующая специализированного проектирования.
Множественные изолированные DC-DC модули: После получения исходного изолированного источника питания обычно используются несколько изолированных DC-DC модулей для генерации дополнительных необходимых изолированных напряжений.
Резервное проектирование: В приложениях сверхвысокой надежности вспомогательное питание может быть спроектировано с резервированием, чтобы обеспечить безопасное отключение или бесшовный переход на резервное питание в случае отказа основного источника.
Система термического управления: "Кондиционер" системы
Система термического управления непосредственно определяет плотность мощности, выходные возможности и срок службы SST.
Почему это так критично?
Экстремально высокая плотность мощности: Заменяя громоздкие трансформаторы сетевой частоты, SST концентрируют энергию в гораздо меньших модулях мощности, что приводит к резкому увеличению теплового потока (генерируемого тепла на единицу площади).
Температурная чувствительность полупроводниковых устройств: Хотя SiC/GaN силовые устройства обеспечивают высокую эффективность, они имеют строгие ограничения по температуре перехода (обычно 175°C или ниже). Перегрев приводит к снижению производительности, уменьшению надежности или постоянному отказу.
Прямое влияние на эффективность: Недостаточное теплоотведение повышает температуру перехода чипа, увеличивая сопротивление в состоянии проводимости, что, в свою очередь, увеличивает потери—создавая порочный круг.
III. Типы методов охлаждения
| Метод охлаждения | Принцип | Сценарии применения и особенности |
| Естественная конвекция | Тепло рассеивается через ребра радиатора за счет естественной циркуляции воздуха. | Подходит только для низкомощных или очень малопотребляющих экспериментальных установок. Не удовлетворяет требованиям большинства приложений SST. |
| Принудительное воздушное охлаждение | На радиатор устанавливается вентилятор, значительно усиливая воздушный поток. | Самое распространенное и недорогое решение. Однако, способность к теплоотведению ограничена, а вентиляторы вносят шум, имеют ограниченный срок службы и проблемы с накоплением пыли. Подходит для средних и низких плотностей мощности. |
| Жидкостное охлаждение | Тепло удаляется с помощью жидкостного охладительного пластины и циркуляционного насоса. | Основное и предпочтительное решение для высокоплотных SST сегодня. |
| Жидкостное охлаждение с холодным пластиной | Силовые устройства монтируются на внутренних металлических пластинах с каналами для жидкости. | Способность к теплоотведению в несколько раз выше, чем у воздушного охлаждения; компактная конструкция позволяет достичь очень низкой температуры в источнике тепла. |
| Погружное охлаждение | Весь модуль мощности погружается в изолирующий охлаждающий агент. | Наивысшая эффективность теплоотведения; однофазное погружное охлаждение без кипения против двухфазного с кипением. Способно обрабатывать экстремальные плотности мощности, но сложность и стоимость системы являются самыми высокими. |
3. Продвинутые концепции термического управления
3.1 Предиктивное термическое управление
Система в реальном времени мониторит температуру и нагрузку, прогнозирует будущие тренды повышения температуры и заранее регулирует скорость вентиляторов, скорость насосов или даже немного снижает выходную мощность, чтобы предотвратить достижение критических уровней температуры.
3.2 Совместное проектирование электро-термических систем
Термическое проектирование синхронизируется с электрическим и конструктивным проектированием с ранних этапов разработки. Например, используются симуляции для оптимизации расположения модулей мощности, обеспечивая, чтобы компоненты с высоким тепловым потоком были размещены ближе к входу охлаждающей жидкости.
4. Система жизнеобеспечения, работающая в согласии
Вспомогательное питание и система термического управления вместе образуют основные защитные механизмы твердотельного трансформатора. Их взаимосвязь можно суммировать следующим образом:
4.1 Вспомогательное питание - обеспечение работоспособности системы
Это предпосылка для обеспечения того, что система "может работать", предоставляя энергию всем управляющим блокам, включая те, которые относятся к системе термического управления (вентиляторы, водяные насосы).
4.2 Система термического управления - обеспечение долговечности системы
Это основа для обеспечения того, что система "может продолжать работу", защищая основные силовые устройства и само вспомогательное питание от отказа из-за перегрева.
Высоконадежный SST является результатом идеальной интеграции выдающегося электрического проектирования, термического управления и управляющего проектирования.
