ความท้าทายในการออกแบบระบบพลังงานและระบบทำความเย็นสำรองของ SST

สองระบบย่อยที่สำคัญและท้าทายในการออกแบบหม้อแปลงแบบโซลิดสเตต (SST)
ระบบจ่ายไฟสำรองและระบบจัดการความร้อน

แม้ว่าจะไม่ได้เข้าร่วมในการแปลงพลังงานหลักโดยตรง แต่พวกมันเป็น "เส้นชีวิต" และ "ผู้คุ้มครอง" ที่ทำให้วงจรหลักทำงานอย่างมั่นคงและเชื่อถือได้

ระบบจ่ายไฟสำรอง: เครื่องกระตุ้นของระบบ

ระบบจ่ายไฟสำรองให้พลังงานแก่ "สมอง" และ "เส้นประสาท" ของหม้อแปลงแบบโซลิดสเตตทั้งหมด ความน่าเชื่อถือของมันกำหนดว่าระบบสามารถทำงานได้อย่างปกติหรือไม่

I. ความท้าทายหลัก

• การแยกแรงดันสูง: ต้องสามารถนำเอาพลังงานจากฝั่งแรงดันสูงมาใช้กับวงจรควบคุมและวงจรขับเคลื่อนบนฝั่งหลักได้อย่างปลอดภัย ซึ่งต้องการโมดูลพลังงานที่มีความสามารถในการแยกทางไฟฟ้าสูงมาก

• ความทนทานต่อการรบกวนสูง: การสลับสวิตช์ความถี่สูง (หลายสิบถึงหลายร้อย kHz) ในวงจรพลังงานหลักสร้างแรงดันฉับพลัน (dv/dt) และการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ระบบจ่ายไฟสำรองต้องสามารถรักษาเอาต์พุตที่มั่นคงในสภาพแวดล้อมที่ทรหด

• เอาต์พุตหลายรายการที่แม่นยำ:

• พลังงานสำหรับไดรเวอร์เกต: จ่ายพลังงานที่แยกออกจากกันไปยังไดรเวอร์เกตของสวิตช์กำลังแต่ละตัว (เช่น SiC MOSFETs) แต่ละเอาต์พุตต้องเป็นอิสระและแยกออกจากกันเพื่อป้องกันการรบกวนที่อาจทำให้เกิดความผิดพลาดจากการไหลผ่าน

• พลังงานสำหรับบอร์ดควบคุม: จ่ายพลังงานให้กับคอนโทรลเลอร์ดิจิทัล (DSP/FPGA) เซ็นเซอร์ และวงจรสื่อสาร ต้องการพลังงานที่สะอาดและมีเสียงรบกวนต่ำ

II. วิธีการสกัดพลังงานและการออกแบบที่เป็นที่นิยม

• การสกัดพลังงานแรงดันสูง: ใช้แหล่งจ่ายไฟสวิตช์ที่แยกออกจากกัน (เช่น คอนเวอร์เตอร์ flyback) เพื่อสกัดพลังงานจากอินพุตแรงดันสูง นี่คือส่วนที่ท้าทายทางเทคนิคมากที่สุดและต้องการการออกแบบเฉพาะ

• โมดูล DC-DC ที่แยกออกจากกันหลายเอาต์พุต: หลังจากได้แหล่งจ่ายไฟที่แยกออกจากกันแล้ว โมดูล DC-DC ที่แยกออกจากกันหลายตัวมักถูกใช้เพื่อสร้างแรงดันที่แยกออกจากกันเพิ่มเติม

• การออกแบบสำรอง: ในแอปพลิเคชันที่มีความน่าเชื่อถือสูงมาก ระบบจ่ายไฟสำรองอาจถูกออกแบบให้มีระบบสำรองเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถปิดเครื่องอย่างปลอดภัยหรือเปลี่ยนไปยังแหล่งจ่ายไฟสำรองได้อย่างราบรื่นหากเกิดความผิดพลาดในระบบหลัก

ระบบจัดการความร้อน: เครื่องปรับอากาศของระบบ

ระบบจัดการความร้อนกำหนดความหนาแน่นพลังงาน ความสามารถในการผลิตออก และอายุการใช้งานของ SST

ทำไมจึงสำคัญ?

• ความหนาแน่นพลังงานสูงมาก: โดยแทนที่หม้อแปลงความถี่สายไฟขนาดใหญ่ SST รวมพลังงานลงในโมดูลกำลังที่เล็กลง ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นอย่างมากในอัตราการเกิดความร้อน (ความร้อนที่สร้างขึ้นต่อพื้นที่หน่วย)

• ความไวต่ออุณหภูมิของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์: แม้ว่าอุปกรณ์กำลัง SiC/GaN จะมีประสิทธิภาพสูง แต่มีข้อจำกัดเรื่องอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ (ทั่วไปคือ 175°C หรือน้อยกว่า) การร้อนเกินไปทำให้ประสิทธิภาพลดลง ความน่าเชื่อถือลดลง หรือล้มเหลวอย่างถาวร

• ผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพ: การระบายความร้อนที่ไม่ดีทำให้อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของชิปสูงขึ้น ทำให้ความต้านทานเมื่อเปิดเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้การสูญเสียเพิ่มขึ้น—สร้างวงจรป้อนกลับที่ไม่ดี

III. ประเภทของการทำความเย็น

3. แนวคิดการจัดการความร้อนขั้นสูง

3.1 การควบคุมความร้อนแบบคาดการณ์
ระบบตรวจสอบอุณหภูมิและโหลดในเวลาจริง ทำนายแนวโน้มการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในอนาคต และปรับความเร็วพัดลม อัตราปั๊ม หรือลดกำลังผลิตออกเล็กน้อยล่วงหน้าเพื่อป้องกันอุณหภูมิจากการถึงระดับวิกฤต

3.2 การออกแบบร่วมระหว่างไฟฟ้าและความร้อน
การออกแบบความร้อนได้รับการประสานงานกับการออกแบบไฟฟ้าและโครงสร้างตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของการพัฒนา ตัวอย่างเช่น การใช้การจำลองเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการวางตำแหน่งของโมดูลกำลัง ทำให้ส่วนที่มีความหนาแน่นความร้อนสูงได้รับการวางไว้ใกล้กับทางเข้าของของเหลว

4. ระบบเส้นชีวิตทำงานร่วมกัน

ระบบจ่ายไฟสำรองและระบบจัดการความร้อนร่วมกันเป็นระบบป้องกันหลักของหม้อแปลงแบบโซลิดสเตต ความสัมพันธ์ของพวกมันสามารถสรุปได้ดังนี้:

4.1 ระบบจ่ายไฟสำรอง - รับประกันการทำงานของระบบ
เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นในการรับประกันว่าระบบ "สามารถทำงานได้" โดยจัดหาพลังงานให้กับหน่วยควบคุมทั้งหมด รวมถึงระบบจัดการความร้อน (พัดลม ปั๊มน้ำ)

4.2 ระบบจัดการความร้อน - รับประกันความทนทานของระบบ
เป็นฐานรากในการรับประกันว่าระบบ "สามารถทำงานต่อเนื่องได้" โดยปกป้องอุปกรณ์กำลังหลักและระบบจ่ายไฟสำรองเองจากการล้มเหลวเนื่องจากความร้อนสูงเกินไป

SST ที่มีความน่าเชื่อถือสูงเป็นผลมาจากความผสมผสานที่สมบูรณ์แบบของการออกแบบไฟฟ้า การจัดการความร้อน และการออกแบบควบคุมที่ยอดเยี่ยม