Fluxgate-Sensoren in SST: Präzision und Schutz

Was ist SST?

SST steht für Solid-State-Transformer, auch bekannt als Power-Electronic-Transformer (PET). Aus Sicht der Energieübertragung verbindet ein typischer SST auf der Primärseite mit einem 10 kV AC-Netz und gibt auf der Sekundärseite etwa 800 V DC aus. Der Energieumwandlungsprozess umfasst in der Regel zwei Stufen: AC-zu-DC und DC-zu-DC (Stromabnahme). Wenn die Ausgabe für individuelle Geräte oder in Server integriert wird, ist eine zusätzliche Stufe zur Stromabnahme von 800 V auf 48 V erforderlich.

SSTs behalten die grundlegenden Funktionen traditioneller Transformatoren bei, integrieren aber erweiterte Fähigkeiten wie Blindleistungskompensation, Harmonische Dämpfung und bidirektionale Energiestromsteuerung. Sie werden hauptsächlich in Anwendungen mit hoher Leistung eingesetzt, wie z.B. der Integration erneuerbarer Energien ins Netz, Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge und Rechenzentren (z.B. AIDC).

SST: Die optimale Lösung für das Zeitalter der High-Power-AIDCs

SST repräsentiert die dritte Generation der Hochspannungs-Direktspannungs-Verteilungslösungen.

• Die erste Generation HVDC behält die konventionelle Struktur des Netzfrequenztransformators bei und führt nur eine Aktualisierung auf der Seite der Unterbrechungsfreien Stromversorgung (UPS) durch.

• Die zweite Generation, wie z.B. die Panama-Stromversorgung, ersetzt den Netzfrequenztransformator durch einen Phasenschiebetransformator, was die Integration verbessert.

• Die dritte Generation SST ersetzt den Netzfrequenztransformator durch einen Hochfrequenztransformator und erreicht den höchsten Integrationsgrad.

Der Kern von SST liegt darin, die Eisenkern- und Wickelstruktur traditioneller Transformatoren aufzugeben und stattdessen Halbleiterbauelemente wie IGBTs und SiC zu verwenden. SST bietet weitere Vorteile in:

• Wirkungsgrad (End-to-End-Wirkungsgrad verbessert um über 3 Prozentpunkte),

• Bauzeit (nur 30 % der herkömmlichen UPS-Lösungen),

• Fußabdruck (um mehr als 50 % reduziert im Vergleich zu herkömmlichen UPS),

• Integration erneuerbarer Energien (direkte grüne Stromversorgung ohne zusätzliche Umwandlungsmodule).

Theoretisch minimiert SST durch die Reduzierung der Spannungs- und Stromwandlerzahl die Verluste bei der Energieübertragung und behebt präzise die Schmerzpunkte der Energieverteilung in Rechenzentren mit hoher Leistung.

Anwendung hochpräziser Fluxgate-On-Board-Stromsensoren in SST

Präzise Strommessung für Energieumwandlung und -steuerung

Die AC/DC- und DC/DC-Wandler von SST basieren auf fortschrittlichen Modulationsalgorithmen und geschlossenen Regelkreisen. Die Obergrenze der Steuerungsgenauigkeit wird durch die Sensorpräzision bestimmt. Das nahezu "absolute Wahrheits"-Stromsignal, das von Fluxgate-Sensoren bereitgestellt wird, bildet die Grundlage für genaue Berechnungen des Reglers (z.B. zum Erzeugen von Kompensationssignalen, Berechnung von Wirk- und Blindleistung). Geringe Temperaturdrift sorgt dafür, dass diese Genauigkeit nicht nur unter Laborbedingungen, sondern über den gesamten Betriebstemperaturbereich aufrechterhalten wird. Da die SST-Leistungsmodule während des Betriebs erhebliche Wärme erzeugen, schwanken die Umgebungstemperaturen stark. Die Eigenschaft der geringen Drift stellt sicher, dass die Steuerungsreferenzen von der Inbetriebnahme bis zur Vollast konstant bleiben, wodurch eine Effizienzverschlechterung oder Steuerinstabilität aufgrund von Sensordrift verhindert wird.

Genauere Überstrom- und Kurzschutz

Leistungshalbleiterbauelemente (z.B. SiC-MOSFETs) innerhalb von SSTs arbeiten mit hohen Schaltfrequenzen, haben jedoch eine begrenzte Toleranz gegenüber Überströmen. Fehlerströme müssen innerhalb von Mikrosekunden unterbrochen werden. Die schnelle Reaktionszeit von Fluxgate-Sensoren wirkt wie eine Hochgeschwindigkeitskamera, die sofortige Stromspitzen erfasst und entscheidende Reaktionszeit für Antriebs- und Schutzschaltungen bereitstellt, um eine Kaskadenfehlerauslösung zu verhindern. Dies sichert nicht nur die Sicherheit, sondern verbessert auch die dynamischen Leistungsmerkmale des Systems. Schnelles Stromrückkopplung ermöglicht es dem Regler, Störungen durch Lasttransienten schnell zu unterdrücken und die Busspannung stabil zu halten.

Starke Störfestigkeit für Datenpräzision und Zuverlässigkeit

SST selbst ist eine leistungsstarke Quelle von hochfrequentem elektromagnetischem Rauschen. Traditionelle Stromsensoren (z.B. Hall-Effekt-Sensoren) sind anfällig für solches Rauschen, was zu Signalspitzen führen kann, die Steuerungsfehlfunktionen oder verzerrte Überwachungsdaten verursachen. Die Fluxgate-Technologie, die auf dem Prinzip der magnetischen Kernsättigung basiert, unterdrückt inhärent außerbandiges Rauschen. Sie kann die gewünschten Grund- oder spezifischen Frequenzbandsignale aus komplexen elektromagnetischen Umgebungen klar extrahieren und liefert verlässliche Daten für Zustandsüberwachungs- und Gesundheitsmanagementsysteme.

Darüber hinaus ermöglicht die On-Board-Designs von Fluxgate-Sensoren ihre direkte Integration auf Steuerungs-PCBs, was das Systemvolumen reduziert und die Layoutoptimierung fördert. Dies ist ideal für die Bestrebungen von SST, eine hohe Leistungsdichte und Miniaturisierung zu erreichen.