Utmaningar vid design av SST-auxiliary strömförsörjning och kylsystem
Två kritiska och utmanande subsystem i designen av fasta tillståndstransformatorer (SST)
Auxiliary Power Supply och termiskt hanteringssystem.
Även om de inte direkt deltar i huvudomvandlingen av ström, fungerar de som "livslinje" och "väktare" för att säkerställa stabilt och pålitligt drift av huvudkretsen.
Auxiliary Power Supply: Systemets "pacemaker"
Auxiliary Power Supply ger ström till "hjärnan" och "nervsystemet" i hela den fasta tillståndstransformatorn. Dess pålitlighet bestämmer direkt om systemet kan fungera normalt.
I. Kärnutmaningar
Högspänningsisolering: Det måste säkert extrahera ström från högspänningssidan för att försörja kontroll- och drivkretsar på primärsidan, vilket kräver att energimodulen har extremt hög elektrisk isolering.
Stark immun mot störningar: Huvudströmkretsens högfrekventa växling (tiotals till hundratals kHz) genererar stora spänningstoppar (dv/dt) och elektromagnetisk störning (EMI). Auxiliary Power Supply måste bibehålla stabil utdata i detta hårda miljö.
Flera, exakta utdata:
Gate Driver Power: Ger isolerad ström till gate-drivarna för varje effektutslag (t.ex. SiC MOSFETs). Varje utdata måste vara oberoende och isolerad för att förhindra crosstalk som kan orsaka genomslagsfel.
Control Board Power: Försörjer digitala reglerare (DSP/FPGA), sensorer och kommunikationskretsar, vilket kräver ren, lågbrusig ström.
II. Typiska metoder för strömextraktion och design
Högspänningsströmextraktion: Använd en isolerad växlingsströmsförsörjning (t.ex. flybackkonverterare) för att extrahera energi från högspänningsinmatningen. Detta är den tekniskt mest utmanande delen och kräver specialiserad design.
Multi-Output Isolated DC-DC-moduler: Efter att ha fått en initial isolerad strömförsörjning används vanligtvis flera isolerade DC-DC-moduler för att generera ytterligare nödvändiga isolerade spänningar.
Redundansdesign: I applikationer med extremt hög pålitlighet kan auxiliary power supply designas med redundans för att säkerställa säker nedstängning eller sömlös övergång till reservströmförsörjning vid primärfel.
Termiskt hanteringssystem: Systemets "luftkonditionering"
Termiskt hanteringssystem bestämmer direkt SST:s effektdensitet, utdataförmåga och livslängd.
Varför är det så kritiskt?
Extremt hög effektdensitet: Genom att ersätta klumpiga linjefrekvens-transformatorer koncentrerar SST:er energi till mycket mindre effektmoduler, vilket leder till en skarp ökning av värmeflöde (värme producerad per enhetsarea).
Temperaturkänslighet hos halvledardelelement: Även om SiC/GaN-effektdelelement erbjuder hög effektivitet, har de strikta junctionstemperaturgränser (vanligtvis 175°C eller lägre). Överhettning leder till prestandaförbättring, minskad pålitlighet eller permanent fel.
Direkt inverkan på effektivitet: Dålig värmeavledning höjer chipjunctionstemperaturen, ökar on-state-resistansen, vilket i sin tur ökar förluster—skapar en ondskefull cykel.
III. Typer av kylningsmetoder
| Kylningsmetod | Princip | Användningsområden och egenskaper |
| Naturlig konvektion | Värme avleds genom fjädrar på kylplattan via naturlig luftcirkulation. | Lämpligt endast för lågeffekt eller mycket låga-förlust experimentella uppsättningar. Kan inte uppfylla kraven för de flesta SST-applikationer. |
| Tvingad luftkyling | En fläkt monteras på kylplattan för att betydligt förbättra luftflödet. | Den vanligaste och billigaste lösningen. Dock är värmeavledningskapaciteten begränsad, och fläktar introducerar brus, begränsad livslängd och dammackumulering. Lämpligt för medium- till lågeffektstäthet design. |
| Vätskekylning | Värme tas bort av en vätskekylplatta och cirkulationspump. | Det huvudsakliga och föredragna valet för dagens högeffektstäthet SST:er. |
| Kylplatta vätskekylning | Effektdelelement monteras på interna metallplattor med vätskekaneler. | Värmeavledningsförmåga är flera gånger mer än luftkyling; kompakt struktur möjliggör mycket låg temperatur vid värmeursprunget. |
| Dunkningskyling | Hela effektmodulen dunks i en isolerande vätska. | Högsta värmeavledningsförmåga; icke-kokande enfas-dunkning vs kokande tvåfas-dunkning. Kan hantera extrem effektstäthet, men systemkomplexitet och kostnad är högsta. |
3. Avancerade koncept för termiskt hantering
3.1 Prediktiv termisk kontroll
Systemet övervakar temperatur och belastning i realtid, förutsäger framtida temperaturhöjningstrender och justerar proaktivt fläktens hastighet, pumpens hastighet eller till och med reducerar utdataeffekten något för att förhindra att temperaturen når kritiska nivåer.
3.2 Elektrotermisk samdesign
Termisk design synkroniseras med elektrisk och strukturell design från tidiga utvecklingsstadier. Till exempel används simuleringar för att optimera layouten av effektmoduler, vilket säkerställer att komponenter med högt värmeflöde placeras nära vätskekylningens ingång.
4. Livlinjesystemet arbetar tillsammans
Auxiliary power supplies och termiska hanteringssystem tillsammans bildar de kärnviktiga skyddsfunktionerna i en fast tillståndstransformator. Deras relation kan sammanfattas som följer:
4.1 Auxiliary Power Supply - Säkerställer systemets driftbarhet
Det är förutsättningen för att säkerställa att systemet "kan driva", ger ström till alla styrenheter, inklusive de av termiskt hanteringssystemet (fläktar, vattenpumpar).
4.2 Termiskt hanteringssystem - Säkerställer systemets hållbarhet
Det är grunden för att säkerställa att systemet "kan hålla igång", skyddar huvudeffektdelelement och auxiliary power supply själva från fel på grund av överhettning.
Ett mycket pålitligt SST är oundvikligen resultatet av en perfekt integration av utmärkt elektrisk design, termiskt hantering och kontroldesign.
