Izazovi pri oblikovanju pomožnih sistemov za oskrbo z energijo in hladilne sisteme SST
Dve kritični in izzivalni podsistemi v načrtovanju tranzistorjev pevne stanje (SST)
Pomožna napajalna naprava in sistem za upravljanje toplote.
Čeprav neposredno ne sodelujeta v glavnem pretvorbi energije, delujeta kot "življenjska črta" in "ščitnik", ki zagotavljata stabilno in zanesljivo delovanje glavnega kruga.
Pomožna napajalna naprava: Sistemov "tempomat"
Pomožna napajalna naprava oskrbuje z energijo "mozg" in "nervi" celotnega tranzistorja pevne stanje. Njegova zanesljivost neposredno določa, ali lahko sistem normalno deluje.
I. Ključni izzivi
Visoka napetostna izolacija: Morajo varno izvleči energijo z visokonapetostne strani za oskrbovanje nadzornih in pogonskih krugov na primarni strani, kar zahteva, da ima napajalni modul zelo visoko električno izolacijsko sposobnost.
Močna odpornost na motnje: Visokofrekvenčno preklopljanje (desetine do stotine kHz) glavnega napajalnega kruga ustvarja velike prestopnice napetosti (dv/dt) in elektromagnetske motnje (EMI). Pomožna napajalna naprava mora v tej težavnem okolju ohranjati stabilen izhod.
Več izhodov, natančnih:
Napajanje vrata pogona: Oskrbova z izolirano energijo pogonov vrata vsakega močnega preklopnika (npr. SiC MOSFET). Vsak izhod mora biti neodvisen in izoliran, da se prepreči premeščanje, ki bi lahko povzročilo preklapljanje.
Napajanje nadzorne plošče: Napaja digitalne nadzornike (DSP/FPGA), senzorje in komunikacijske krge, za kar je potrebna čista, nizkokrmeljska energija.
II. Tipični pristopi k izvlečanju energije in načrtovanju
Izvlečenje visokonapetostne energije: Uporaba izoliranega preklopne napajalne naprave (npr. flyback pretvornik) za izvlečenje energije iz visokonapetostnega vhoda. To je tehnično najzahtevnejši del in zahteva specializirano načrtovanje.
Večizhodi izolirani DC-DC moduli: Po pridobitvi prvotnega izoliranega vira energije se običajno uporabljajo več izoliranih DC-DC modulov za generiranje dodatnih potrebnih izoliranih napetosti.
Redundantno načrtovanje: V aplikacijah z izjemno visoko zanesljivostjo se pomožna napajalna naprava lahko načrta z redundantnostjo, da se zagotovi varna zaustavitev ali brezhibno preklop na rezervni vir v primeru primarne odpovedi.
Sistem za upravljanje toplote: Sistemov "hladilnik"
Sistem za upravljanje toplote neposredno določa gostoto moči SST, zmogljivost izhoda in življenjsko dobo.
Zakaj je tako kritičen?
Izjemno visoka gostota moči: Z nadomestitvijo grških frekvenčnih transformatorjev koncentrirajo SST-ji energijo v mnogo manjše močne module, kar vodi do ostrega povečanja toplinskega toka (ustvarjenega toplote na enoto površine).
Temperaturna občutljivost polprevodniških naprav: Čeprav SiC/GaN močne naprave nudijo visoko učinkovitost, imajo stroge meje pri temperaturi priključka (običajno 175°C ali nižje). Preseganje temperature vodi do degradacije zmogljivosti, zmanjšane zanesljivosti ali trajne odpovedi.
Neposredni vpliv na učinkovitost: Slabo odvajanje toplote poveča temperaturo priključka čipa, kar poveča upor v stanju vklopa, kar na svoji strani poveča izgube—ustvarja škoden zaznamen cikel.
III. Vrste hladilnih metod
| Hladilna metoda | Načelo | Uporabni scenariji in značilnosti |
| Naravna konvekcija | Toplota se odvaja skozi lampe hladilnika preko naravne cirkulacije zraka. | Ustrezen le za nizkonapetostne ali zelo nizkonapetostne poskusne nastavitve. Ne more zadostiti zahtevam večine aplikacij SST. |
| Prisilno hladilno zrak | Na hladilniku je nameščen ventilator, ki znatno poveča pretok zraka. | Najbolj pogosta in najcenejša rešitev. Vendar je kapaciteta odvajanja toplote omejena, ventilatori pa vneso buč, omejeno življenjsko dobo in probleme z nabiranjem prahu. Ustrezen za srednje do nizkonapetostne dizajne. |
| Tekočinski hladilnik | Toplota se odvaja z hladilno ploščo in cirkulacijskim pumpo. | Glavna in prednostna izbira za danes visokonapetostne SST. |
| Hladilna plošča z tekočino | Močne naprave so nameščene na notranjih kovinskih ploščah z kanali za tekočino. | Kapaciteta odvajanja toplote je nekajkrat višja kot pri hladilniku zraka; kompaktna struktura omogoča zelo nizko temperaturo pri viru toplote. |
| Potopno hladilno | Celoten močni modul je potopljen v izolirajoči hladilni sredstvo. | Najvišja učinkovitost odvajanja toplote; nevrljanje enofazno potopno hladilno vs. vrljanje dvofazno potopno hladilno. Zmožen obravnavati ekstremne gostote moči, vendar je kompleksnost sistema in stroški najvišji. |
3. Napredni koncepti upravljanja toplote
3.1 Prediktivno termalno nadzor
Sistem v realnem času spremlja temperaturo in opterok, napoveduje prihodnje trende porasta temperature in predhodno prilagaja hitrost ventilatorjev, hitrosti pump ali celo malo zmanjša izhodno moč, da prepreči, da bi temperature dosegle kritične ravni.
3.2 Elektro-termalni ko-dizajn
Termalni dizajn je sinhroniziran z električnim in strukturnim dizajnom že na začetku razvoja. Na primer, simulacije se uporabljajo za optimizacijo razporeditve močnih modulov, da se zagotovi, da so komponente z visokim toplinskim tokom preferencialno postavljene blizu vhoda hladilca.
4. Sistem življenjske črte, ki deluje v skladu
Pomožna napajalna naprava in sistem za upravljanje toplote skupaj oblikujeta ključna varnostna jamstva tranzistorja pevne stanje. Njuno odnos lahko povzroči kot sledi:
4.1 Pomožna napajalna naprava - Zagotavljanje delovanja sistema
To je predpostavka za zagotavljanje, da sistem "lahko deluje," oskrbuje z energijo vse nadzorne enote, vključno z tistimi sistema za upravljanje toplote (ventilatorji, vodeči pumpi).
4.2 Sistem za upravljanje toplote - Zagotavljanje trajnosti sistema
To je temelj za zagotavljanje, da sistem "lahko ohranja delovanje," zaščititi glavne močne naprave in sam pomožni napajalni vir pred odpovedjo zaradi preseganja temperature.
Zelo zanesljiv SST je neizbežno rezultat popolne integracije odličnega električnega dizajna, upravljanja toplote in nadzornega dizajna.
