Dizajnerski izazovi u pomoćnim sistemima struje i hlađenja SST
Dve ključne i izazovne podsisteme u dizajnu čvrstog stanja transformatora (SST)
Pomoćni sistem snabdjevanja strujom i sistem upravljanja toplinom.
Iako ne učešće direktno u glavnoj pretrebi struje, oni služe kao "životna linija" i "čuvar" koji osiguravaju stabilno i pouzdan rad glavnog kruga.
Pomoćni sistem snabdjevanja strujom: "Pacer" sistema
Pomoćni sistem snabdjevanja strujom pruža energiju za "mozak" i "nervne žive" celog čvrstog stanja transformatora. Njegova pouzdanost direktno određuje da li sistem može normalno raditi.
I. Ključni izazovi
Visokonaponska izolacija: Morate sigurno ekstrahirati energiju sa visokonaponske strane kako bi se snabdevale kontrolne i pogonske krugove na primarnoj strani, što zahteva da modul snabdjevanja strujom ima izuzetno visoku električnu izolaciju.
Jaka imunitet na smetuće uticaje: Visokofrekventno preključivanje (desetke do stotine kHz) u glavnom krugu snabdjevanja strujom generiše velike transijentne napone (dv/dt) i elektromagnetne smete (EMI). Pomoćni sistem snabdjevanja strujom mora održavati stabilni izlaz u ovom teškom okruženju.
Više preciznih izlaza:
Snabdjevanje strujom pogonskih vrata: Snabdeva izolovanom strujom pogonska vrata svakog strujnog prekidača (npr. SiC MOSFET-e). Svaki izlaz mora biti nezavisan i izolovan kako bi se sprečilo križanje signala koje bi moglo dovesti do grešaka prodiranja.
Snabdjevanje strujom kontrolne ploče: Snabdeva digitalne kontrolere (DSP/FPGA), senzore i komunikacione krugove, zahtevajući čistu, niskonoisnu struju.
II. Tipični pristupi ekstrakcije struje i dizajnu
Ekstrakcija visokonaponske struje: Koristi se izolovani prekidni konverter snabdjevanja strujom (npr. flyback konverter) za ekstrakciju energije iz visokonaponskog ulaza. Ovo je tehnički najzahtevniji deo i zahteva specijalizovani dizajn.
Višeizlazni izolovani DC-DC moduli: Nakon dobijanja inicijalnog izolovanog izvora struje, obično se koriste više izolovanih DC-DC modula za generisanje dodatnih potrebnih izolovanih naponih nivoa.
Redundantni dizajn: U aplikacijama sa izuzetno visokom pouzdanosti, pomoćni sistem snabdjevanja strujom može biti dizajniran sa redundantnošću kako bi se osigurala bezbedna isključenja ili besprekidna prebacivanja na rezervni izvor struje u slučaju propada primarnog.
Sistem upravljanja toplinom: Sistemski "Klima uređaj"
Sistem upravljanja toplinom direktno određuje gustinu snage SST-a, sposobnost izlaza i vek trajanja.
Zašto je toliko kritičan?
Izuzetno visoka gustoća snage: Zamenom grubačkih linearnih frekvencijskih transformatora, SST-i koncentrišu energiju u mnogo manje module snabdjevanja strujom, što dovodi do oštrog porasta fluksa toplote (generisana toplota po jedinici površine).
Osetljivost poluprovodničkih uređaja na temperaturu: Iako SiC/GaN strujni uređaji nude visoku efikasnost, imaju stroge granice temperature spajanja (obično 175°C ili niže). Pretopljenje dovodi do smanjenja performansi, smanjene pouzdanosti ili trajne greške.
Direktni uticaj na efikasnost: Loša disipacija toplote povećava temperaturu spojnica čipa, povećavajući otpornost u stanju "on", što opet povećava gubitke - stvarajući zao krug.
III. Tipovi metoda hlađenja
| Metoda hlađenja | Princip | Scenariji primene i karakteristike |
| Prirodna konvekcija | Toplina se disipira kroz finje na hladnjaku putem prirodnog cirkulacije zraka. | Pogodno samo za niskosnopne ili veoma niske gubitke eksperimentalne postavke. Ne može zadovoljiti zahteve većine SST aplikacija. |
| Prisilno hlađenje zrakom | Na hladnjak se montira ventilator kako bi se znatno poboljšala protoka zraka. | Najčešće i najjeftinije rešenje. Međutim, kapacitet disipacije toplote je ograničen, a ventilatori uvode buku, ograničeni vek trajanja i akumulaciju prašine. Pogodno za srednje do niske gustoće snage. |
| Hlađenje tečnosti | Toplina se uklanja putem hladne ploče i cirkulacionog pumpa. | Glavni i preferirani izbor za današnje visokogustinske SST-e. |
| Hlađenje tečnosti hladne ploče | Strujni uređaji su montirani na unutrašnjim metalnim plocama sa kanalima za tečnost. | Kapacitet disipacije toplote je nekoliko puta veći od hlađenja zrakom; kompaktna struktura omogućava vrlo nisku temperaturu na izvoru toplote. |
| Potapanje hlađenje | Celi strujni modul se potaplja u izolovanu hladnu tečnost. | Najveća efikasnost disipacije toplote; jednofazno potapanje bez ključenja u odnosu na dvofazno potapanje sa ključenjem. Moguće rukovati ekstremnim gustoćama snage, ali složenost i cena sistema su najviše. |
3. Napredni koncepti upravljanja toplinom
3.1 Prediktivno termalno upravljanje
Sistem monitori temperaturu i opterećenje u realnom vremenu, predviđa buduće trendove porasta temperature i preventivno prilagođava brzinu ventilatora, stopu pumpiranja ili čak blago smanjuje izlaznu snagu kako bi se sprecila temperatura dostići kritične nivoa.
3.2 Elektro-termalni ko-dizajn
Termalni dizajn je sinkronizovan sa električkim i strukturnim dizajnom od ranih faza razvoja. Na primer, simulacije se koriste za optimizaciju rasporeda strujnih modula, osiguravajući da komponente sa visokim fluksom toplote budu preferentno postavljene bliže ulazu hladne tečnosti.
4. Sistem životne linije koji radi u saglasnosti
Pomoćni sistemi snabdjevanja strujom i sistemi upravljanja toplinom zajedno čine ključne zaštite čvrstog stanja transformatora. Njihov odnos se može sažeti na sledeći način:
4.1 Pomoćni sistem snabdjevanja strujom - Osiguranje operativnosti sistema
To je preduvjet za osiguranje da sistem "može raditi," pružajući struju svim kontrolnim jedinicama, uključujući one sistema upravljanja toplinom (ventilatore, vodene pumpe).
4.2 Sistem upravljanja toplinom - Osiguranje dugotrajnosti sistema
To je temelj za osiguranje da sistem "može održati rad," štiti glavne strujne uređaje i sam pomoćni sistem snabdjevanja strujom od propada zbog pretopljenja.
Visoko pouzdani SST je neizbežno rezultat savršene integracije izuzetnog električnog dizajna, upravljanja toplinom i kontrole dizajna.
