Miten valita oikea komposiittikäännin korkeatiheyksisiin ja tehokkaisiin järjestelmiin?

Komposiittikäännin, joka pystyy saavuttamaan lämpörajoituksen huonoin mahdollinen toimintaolosuhteessa, voi käyttää jopa pienempää virtausnopeutta. Kuitenkin tämä vaikuttaa negatiivisesti järjestelmän CAFE Q-arvoon ja tehotiheyteen. Tässä artikkelissa tarkastellaan tätä arkkitehtuuria ja sen vaikutuksia teho-elektroniikan järjestelmien tehokkuuteen ja luotettavuuteen.

Valitun komposiittikäänninrakenteen avainominaisuudet löytyvät järjestelmän suunnittelun ja sen komponenttien valinnan perusteista. Kuvassa 24.14 esitetään valitun komposiittikäänninjärjestelmän kaavio ja 24.4 taulukossa esitetään keskeiset suorituskykyluvut. Tämän järjestelmän tehoalue kattaa 126 kW:n maksimitehon ja 1200 V:n jännitteen, ja sen tilavuus on 5,9 litraa, jolloin saavutetaan tehotiheys 22,38 kW/litra. Verrattuna perinteiseen yksivaiheiseen käänteismuuntimeen, komposiittikäännin tarjoaa huomattavasti paremman suorituskyvyn ja pienemmän koon.

Komposiittijärjestelmän valinnassa on huomioitava useita tekijöitä. Esimerkiksi järjestelmässä käytetyt MOSFET-die-pohjaiset kytkentäkomponentit voivat olla joko kaksidie- tai yksidie-ratkaisuna. Yksidie-ratkaisun käyttö parantaa järjestelmän keskimääräistä käyttöikää (MTTF) ja vähentää kustannuksia samalla, kun virran jakaminen vaiheiden kesken pitää johtohäviöt vähäisinä. Yksidie-konfiguraatio on erityisen hyödyllinen, kun suuri osa järjestelmän käytöstä tapahtuu pass-through-tilassa, kuten CAFE-ajosyklien aikana.

Tehotiheyden parantaminen ei kuitenkaan ole pelkästään elektronisten komponenttien optimointia, vaan myös rakenteellisten valintojen, kuten induktorin valinta, merkityksellistä. Esimerkiksi komposiittikäännin käyttää 4:4-vuorovaihteista DCX-moduulia, joka tarjoaa paremman energiatehokkuuden alhaisilla teho-alueilla verrattuna perinteisiin ratkaisuihin, kuten 3:3-vuorovaihteiseen magneettiytimellä varustettuun järjestelmään. Tämän valinnan etuna on alhaisempi magneettisen ydinhäviön taso ja parempi tehokkuus erityisesti matalatehoisissa toimintapisteissä.

Tärkeää on myös se, että komposiittijärjestelmä tarjoaa huomattavan parannuksen järjestelmän elinikään ja luotettavuuteen. Keskimääräinen aika vikaantumiseen (MTTF) on 3,6 kertaa pidempi kuin perinteisissä rakenteissa. Tämä tarkoittaa, että vaikka komposiittijärjestelmän laitteisto on pienempi ja tiiviimpi, sen suorituskyky ja kestävyys voivat ylittää perinteiset ratkaisut.

Kun vertaillaan komposiittikäänninjärjestelmää tavanomaiseen yksivaiheiseen boost-käänteismuuntimeen, voidaan todeta, että komposiittiratkaisu on tehokkaampi ja tilaa säästävämpi. Tavanomainen järjestelmä käyttää suuria kondensaattoreita sekä suurikokoisia magneettikomponentteja, mikä lisää järjestelmän tilavuuden ja korkeuden. Komposiittikäännin puolestaan saavuttaa samat tai paremmat suorituskykytulokset pienemmällä tilavuudella ja huomattavasti pienemmällä painolla.

Verrattaessa komposiittijärjestelmää tavanomaiseen yksivaiheiseen käänteismuuntimeen voidaan nähdä, että komposiittiratkaisussa on parannuksia useilla avainalueilla: CAFE Q, MTTF ja tehotiheys ovat huomattavasti parempia, ja järjestelmä on myös kustannustehokkaampi. Tämän tyyppinen muunninratkaisu tarjoaa huomattavia etuja erityisesti monimutkaisissa ja suurtehoisissa sovelluksissa, joissa tiivistetyllä rakenteella ja tehokkuudella on suuri merkitys.

Endtext

Miten laajakaistaiset puolijohteet mullistavat sähköteknologiat ja energian muunnoksen tulevaisuuden?

Laajakaistaiset puolijohteet (WBG) ovat nousseet keskeiseksi osaksi sähkötekniikan kehitystä, ja niiden vaikutus laajenee jatkuvasti uusille alueille. Nämä puolijohteet, kuten piikarbidit (SiC) ja galliumnitridi (GaN), tarjoavat merkittäviä etuja perinteisiin puolijohteisiin verrattuna, erityisesti energian muuntamisessa ja sähkön siirrossa. Tämän kirjan tarkoituksena on nopeuttaa tehokkaiden, kevyiden ja luotettavien virtamuuntajien kehitystä, jotka hyödyntävät laajakaistaisia puolijohteita. Näitä virtamuuntajia suunnitellaan mahdollistamaan järjestelmätason edistysaskeleet, jotka mahdollistavat tehokkaan toiminnan korkeammilla kytkentätaajuuksilla, korkeammilla lämpötiloilla ja pienemmillä häviöillä.

Virtalaitteiden kehitys on monesti ollut puolijohdeteknologioiden edistysaskeleiden varassa. Aiemmin teollisuuden, energia-alan ja muiden sektoreiden tarvitsemat virtamuuntajat ja kytkentätekniikat perustuivat pääosin piipuolelle. Nyt, kun laajakaistaiset puolijohteet ovat päässeet esiin, niiden käyttö tuo mukanaan merkittäviä etuja, mutta myös vakavia teknisiä haasteita. Esimerkiksi laajakaistaisiin puolijohteisiin perustuvat virtamuuntajat voivat toimia tehokkaammin korkeammissa lämpötiloissa, suuremmilla taajuuksilla ja alhaisemmilla häviöillä verrattuna perinteisiin puolijohteisiin, mutta niiden käyttö vaatii täysin uudenlaista lähestymistapaa kytkentätekniikoihin ja lämpöhallintaan.

Laajakaistaiset puolijohteet mahdollistavat myös monimutkaisempien ja tehokkaampien virtamuuntajien luomisen, joita voidaan käyttää laaja-alaisemmin, kuten uusien energialähteiden ja varastointijärjestelmien integroimiseen. Esimerkiksi matala- ja keskijännitekonvertterit, joissa hyödynnetään 10 kV:n SiC MOSFET-puolijohteita, voivat saavuttaa erinomaisia hyötysuhteita ja tiheyttä. Tällaiset järjestelmät pystyvät käsittelemään suuria tehoja pienessä koossa ja pienentämään häviöitä merkittävästi.

Erityisesti sähköverkkoteknologioissa laajakaistaiset puolijohteet mahdollistavat kytkentätekniikoiden, kuten matriisikytkinten ja pehmeästi kytkeytyvien solid-state-muuntajien, käytön. Näiden innovaatioiden avulla voidaan saavuttaa entistä tehokkaampia sähkömuuntajia, jotka pystyvät käsittelemään suuria jännitteitä ja virtoja entistä pienemmässä koossa ja pienemmillä häviöillä. Esimerkiksi matriisikytkimet, jotka perustuvat SiC-puolijohteisiin, voivat nostaa jännitettä ja muuttaa taajuuksia ilman, että tarvitaan perinteisiä tasasuuntaajia tai vaihdeväyläjärjestelmiä.

Kun WBG-puolijohteet tulevat osaksi yhä useampia sovelluksia, kuten uusiutuvaa energiaa, avioniikkaa ja älykästä sähköverkkoinfrastruktuuria, on tärkeää huomioida muutamia avaintekijöitä. Ensinnäkin, vaikka nämä puolijohteet tarjoavat suuria etuja tehojen muuntamisessa ja siirrossa, niiden käyttöönotto tuo mukanaan uusia haasteita, kuten kylmäkäynnistys, lämpöjohtavuus ja kytkentähäviöt. Näiden ongelmien ratkaiseminen edellyttää uudenlaista lähestymistapaa jäähdytykseen, ohjausjärjestelmiin ja materiaalitekniikkaan.

Tämän lisäksi on huomioitava, että WBG-puolijohteet eivät ole ihmelääke kaikkiin sovelluksiin. Vaikka ne ovat poikkeuksellisia tietyissä teknisissä ympäristöissä, kuten korkeissa lämpötiloissa ja suurilla taajuuksilla, niillä voi olla rajoituksia tietyissä sovelluksissa, joissa kustannukset ja valmistuksen kompleksisuus ovat ratkaisevia tekijöitä.

Miten suunnitellaan ja arvioidaan korkean jännitteen, suuritehoisten energiajärjestelmien komponentteja?

Kuten kuvassa 3.1 on esitetty, CT-pohjainen virtalähde toimii pääasiallisena virtalähteenä porttikytkinten ja antureiden virran syöttämiseksi HB-PEBB-järjestelmissä. Jakelulaitteiden samanaikainen virtalähteiden syöttämiseksi suunnitellaan resonanssitekniikalla toteutettu kuormasta riippumaton virtabussi CT-pohjaiselle virtalähteelle. Tällöin kaikki kuormat on yhdistetty sarjaan ja ne ovat näin suojattuja oikosulkujen varalta. Kuitenkin, jotta voidaan säätää lähtöjännitteitä eri kuormitustilanteissa ja estää avoimen piirin vikaantuminen, tarvitaan lisäpalautesilmukka. Näin ollen CT-pohjaisen virtalähteen jokaiselle sekundaariselle puolelle on suunniteltu virtaa syöttävä kytkentäverkko, johon on lisätty hysteresisohjain.

CT-pohjaisessa virtalähteessä on huomioitu paitsi monikuormitustilan ajaminen ja jännitteen säätömahdollisuus, myös kohtuullinen eristystaso (~3 kV) kompaktiin muotoon yhdistettynä, jotta se voidaan integroida porttikytkimiin ja antureihin. Tämä saavutetaan käyttämällä yksinkertaista käämiä, jossa on eristävä lanka ja joka toimii taajuudella 1 MHz, kuten kuvassa 3.3 on esitetty. Ilma toimii välineenä eristävän langan ja muuntajaytimen välillä.

Yhteismoodin kapasitanssin (Ccpl) minimointi muuntajan syöttö- ja lähtöpuolen välillä on tärkeää, koska CT-pohjainen virtalähde altistuu korkealle dv/dt:lle normaalin muuntajakäytön aikana. Kuvassa 3.5 esitetään CT-pohjaisen virtalähteen kokeelliset mittaustulokset koskien kapasitanssia ja eristyskykyjä. Mittaus suoritettiin impedanssianalysaattorilla (Agilent 4294A), ja kapasitanssiksi mitattiin 1,86 pF. Eristystesti suoritettiin siten, että CT-pohjaisen virtalähteen sekundaaripuoli kytkettiin 60 Hz:n korkean jännitteen vaihtovirta-lähteeseen ja virtabussin johto maadoitettiin, kuten kuvassa 3.5b on esitetty.

PCB-pohjainen keskipitkän jännitteen tasavirtabussi on yksi ratkaisu, joka mahdollistaa kytkentäpiirien ja suurten kapasitorien tehokkaan yhdistämisen SiC MOSFET-moduulien käyttöön. Tämä suunnittelu on erityisen tärkeä, koska SiC MOSFET:it toimivat nopeasti, mikä vaatii matalaa induktanssia virtapiirissä. Yksi ratkaisun etu on tasapainotettu ja ohuesti suunniteltu rakenne, joka vähentää yhteisinduktanssia verrattuna perinteisiin co-planar-ratkaisuihin. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kerroksien väliin jää mahdollisimman vähän tilaa, mutta kuitenkin riittävästi eristystä turvallisuuden takaamiseksi.

Perinteinen tasakerroksinen virtabussi on testattu aiemmin, mutta tuloksena oli ongelmia osittaispurkausten kanssa, erityisesti paksujen eristyskerrosten ja liimausten alueilla, joissa kenttäintensiteetti oli liian korkea. Tämän vuoksi PCB-pohjaisen ratkaisun kehittäminen tuli ajankohtaiseksi. PCB-pohjainen bussi on mahdollistanut jopa 6 kV:n tasajännitteen käsittelyn, ja siinä käytetään ohutta, mutta kestävää eristysmateriaalia, joka estää purkauksia ja pitää E-kenttien voimakkuuden hallinnassa. Tällöin designeille voidaan asettaa tarkat vaatimukset, kuten jänniteeristys (PDIV) ja osittaispurkauksille asetetut rajat.

Tämä PCB-pohjainen virtabussi mahdollistaa myös sen, että suurtehoisten muuntajien kapasitorit voidaan asentaa suoraan virtabussiin, jolloin dekupointikondensaattoreiden tarve poistuu matalan induktanssin ansiosta. Tämä saavutetaan käyttämällä 24 kV:n tehotason tasavirtabussia, jossa yhdistetään useita PCB-levyjä sarjaan. Tällöin voidaan varmistaa sekä matala induktanssi että korkea eristyskyky.

Miten MV-S4T-prototyyppi testattiin ja mitä kokeet paljastivat sen toimintakyvystä?

MV-S4T-prototyypin saloihin syventyminen alkaa sen salamansuojauksen arvioinnista. Testiasetelmassa käytettiin ilmasydämisiä induktansseja, L1 ja L2, jotka käämitään 30 kV:n kaapelilla. Niiden induktanssi, 150 μH, valittiin tarkoin, jotta virran jakautuminen komponenttien M1 ja M2 välillä olisi verrannollinen niiden energian absorptiokykyyn. Tällä tavalla alemman kapasiteetin M2-komponentin elinikä säilyy, sillä se johtaa vähemmän virtaa kuin korkeamman kapasiteetin M1. Induktorit tarjoavat rajallisen linjasuodatuksen, mutta niiden pääasiallinen tehtävä on suojata salamavirroilta. Kokeissa käytetty 1.2/50 μs 90 kV impulssigeneraattori paljasti, että M1:n ylijännite rajoittui 47.2 kV:iin, kun taas Mf:n huippujännite pysyi 13.1 kV:ssa – turvallisella tasolla SST-prototyypille, joka perustuu viiteen ISOP 3.3-kV -moduuliin.

Mallinnukset vahvistivat mittaustulokset ja lisäksi osoittivat, että suojausjärjestelmä läpäisi myös 250/2500 μs kytkentäimpulssitestin. Tämä toimi todisteena järjestelmän kyvystä käsitellä sekä salama- että kytkentäimpulsseja ilman, että prototyypin eheys vaarantuu.

MV-S4T:n laajempi testaus perustui 7.2 kV, 50 kVA kokeelliseen prototyyppiin, joka koostuu viidestä 1.44 kV, 10 kVA moduulista. Öljyjäähdytys, joka hyödyntää säiliöitä ja putkistoja, kierrättää öljyä jäähdytyselementtien ja lämpöpattereiden välillä häviötehon hallitsemiseksi. Jokaisessa moduulissa oleva ohjain vastaanottaa daisy-ketjutetun synkronointisignaalin, jolla tahdistetaan MVAC-vaiheen kulma ja kytkentäjakso. Tämä mahdollistaa jännitteen tasapainon ja interleaved-kytkennän.

Steadyn tila saavutettiin 7.5 kV huipputehoisessa 20 kVA-kuormituksessa, jossa MV-induktanssi oli yhdistetty rinnakkain vastuskuorman kanssa. Kaikki viisi moduulia (vMV1–vMV5) osoittivat tasapainoisia ja sinimuotoisia jännitteitä nousuvaiheessa ja vakaassa tilassa. Kytkentäjaksot olivat hallinnassa, ja jännite MFT:n yli pysyi komponenttien sallitun rajan sisällä. Moduulien toiminta oli rytmitetty tarkasti siten, että jokainen moduuli toimi viidesosan jaksoa edellisestä siirtyneenä – tämä varmistettiin oskilloskooppimittauksin.

Myös dynaamisia jännitemuutoksia testattiin. Jännitteen äkillinen nousu 1.5 kV huipusta 4 kV huippuun tapahtui alle 0.5 millisekunnissa. Muut