Виклики при проектуванні допоміжних систем живлення та охолодження SST
Два критичних та складних підсистеми в проектуванні твердотільного перетворювача (SST)
Допоміжне живлення та система термального управління.
Хоча вони не беруть безпосередньо участь у основному процесі перетворення енергії, вони служать "живильною лінією" та "охранником", забезпечуючи стабільну та надійну роботу основної схеми.
Допоміжне живлення: "Пасмурний генератор" системи
Допоміжне живлення забезпечує електропостачання для "мозку" та "нервів" всього твердотільного перетворювача. Його надійність безпосередньо визначає, чи може система працювати нормально.
I. Основні виклики
Високовольтна ізоляція: Необхідно безпечно виділяти енергію з високовольтної сторони для живлення керуючих та драйверних схем на первинній стороні, що потребує від модуля живлення надзвичайно високої електричної ізоляції.
Стійкість до інтерференції: Високочастотне комутування (десятки до сотень кГц) головної силової схеми генерує великі перепади напруги (dv/dt) та електромагнітну інтерференцію (EMI). Допоміжне живлення повинно підтримувати стабільний вивід в цій жорсткій середовищі.
Багато точних виводів:
Живлення шлюзових драйверів: Постачає ізольовану енергію до шлюзових драйверів кожного силового ключа (наприклад, SiC MOSFET). Кожен вивід має бути незалежним та ізольованим, щоб запобігти взаємному впливу, який може призвести до коротких замикань.
Живлення керуючої плати: Постачає енергію цифровим контролерам (DSP/FPGA), датчикам та комунікаційним схемам, що потребує чистої, низькошумної енергії.
II. Типові методи виділення енергії та підходи до проектування
Виділення високовольтної енергії: Використовується ізольований комутаційний блок живлення (наприклад, конвертер з оберненим ходом) для виділення енергії з високовольтного входу. Це найбільш технічно складна частина, що потребує спеціалізованого проектування.
Модулі ізольованого DC-DC: Після отримання початкового ізольованого джерела живлення, зазвичай використовуються кілька модулів ізольованого DC-DC для генерації додаткових потрібних ізольованих напруг.
Проектування з резервуванням: У дуже надійних застосуваннях допоміжне живлення може бути спроектоване з резервуванням, щоб забезпечити безпечне вимкнення або безперервний перехід на резервне живлення у разі виникнення аварії на основному.
Система термального управління: "Кондиціонер" системи
Система термального управління безпосередньо визначає густоту потужності, вивідні можливості та тривалість SST.
Чому це так критично?
Екстремально висока густота потужності: Замінюючи громіздкі перетворювачі з частотою мережі, SST концентрує енергію в набагато менших модулях потужності, що призводить до гострого зростання теплового потоку (тепла, що генерується на одиницю площі).
Температурна чутливість напівпровідникових пристроїв: Хоча SiC/GaN пристрої потужності пропонують високу ефективність, вони мають строгі обмеження температури переходу (зазвичай 175°C або нижче). Перегрівання призводить до зниження продуктивності, надійності або постійної відмови.
Пряме вплив на ефективність: Слабка теплоотдача підвищує температуру переходу чипа, що збільшує опір у режимі провідності, що в свою чергу збільшує втрати — створюючи поганий цикл.
III. Типи методів охолодження
| Метод охолодження | Принцип | Сценарії застосування та характеристики |
| Природна конвекція | Тепло відводиться через ребра радіатора через природну циркуляцію повітря. | Придатна лише для низькопотужних або дуже низьковтратних експериментальних установок. Не може задовольнити вимоги більшості застосувань SST. |
| Примусове повітряне охолодження | На радіатор монтується вентилятор, що значно підвищує потік повітря. | Найпоширеніший та найдешевший варіант. Однак, здатність відведення тепла обмежена, а вентилятори вводять шум, обмежений термін служби та проблеми з накопиченням пилу. Придатне для середньо-та низькогустих дизайнерських рішень. |
| Рідинне охолодження | Тепло відводиться за допомогою рідинної пластини та циркуляційного насоса. | Основний та переважний вибір для SST з високою густотою потужності сьогодні. |
| Рідинне охолодження холодною пластиною | Потужні пристрої монтується на внутрішніх металевих пластинах з каналами для рідини. | Здатність відведення тепла в кілька разів вища, ніж при повітряному охолодженні; компактна конструкція дозволяє дуже низьку температуру в джерелі тепла. |
| Охолодження зануренням | Весь модуль потужності занурюється в ізоляційну рідину-охолоджувач. | Найвища ефективність відведення тепла; одноконтурне небойове занурення проти двоконтурного бойового. Способна обробляти екстремальні густини потужності, але складність та вартість системи найвищі. |
3. Прогресивні концепції термального управління
3.1 Прогнозування термального керування
Система в реальному часі моніторить температуру та навантаження, прогнозує майбутні тенденції підвищення температури та передчасно регулює швидкості вентиляторів, насосів або навіть трохи зменшує вивідну потужність, щоб запобігти досягненню критичних рівнів температури.
3.2 Ко-дизайн електротермічних систем
Термальний дизайн синхронізується з електричним та конструктивним дизайном з ранніх етапів розробки. Наприклад, використовуються симуляції для оптимізації розташування модулів потужності, забезпечуючи, що компоненти з високим тепловим потоком розташовані поблизу входу охолоджувача.
4. Система жизненної лінії, що працює разом
Допоміжне живлення та система термального управління разом формують основні захисти твердотільного перетворювача. Їхній зв'язок можна підсумувати наступним чином:
4.1 Допоміжне живлення - забезпечення можливості роботи системи
Це передумова для забезпечення, що система "може працювати", надаючи енергію всім керуючим блокам, включаючи систему термального управління (вентилятори, водяний насос).
4.2 Система термального управління - забезпечення стійкості системи
Це основа для забезпечення, що система "може тривати в роботі", захищаючи основні силові пристрої та саме допоміжне живлення від відмов через перегрівання.
Високонадійний SST неминуче є результатом ідеального інтегрування вишуканого електричного дизайну, термального управління та керування дизайном.
