שנאי מצב מוצק (SST), הידוע גם כשנאי כוח אלקטרוני, שונה משנאי קו קונבנציונליים הפועלים על שדות מגנטיים של 50 הרץ. זהו התקן המרת הספק הניתן לשליטה המורכב מממירי הספק אלקטרוניים ומשנאים בתדר גבוה. שנאים קונבנציונליים בתדר קו ממיר רק באופן פסיבי מתח לפי יחס סיבובים. בנוסף לבידוד הגלווני והמרת המתח, SSTs מספקים יכולות מבוקרות דיגיטליות כולל זרימת כוח דו-כיוונית, ויסות מתח, דיכוי הרמוני ופיצוי הספק תגובתי, המשמשים כנתבי חשמל ברשתות חכמות.
הגדרת לוח
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
ארכיטקטורה כוללת של תת-מודול
כל תת-מודול מורכב משני חלקי חומרה עיקריים: יחידת המרת מתח גבוה AC-DC ויחידת DC-DC מבודדת בתדר גבוה DAB. עבור יישומי רשת במתח בינוני כגון מערכות 10 קילו וולט, מספר תתי-מודולים מחוברים בסדרהטרמינלים בצד ACלחלוק את מתח הרשת הכולל. כל תת-מודול הוא הבעלים של קישור DC ביניים עצמאי, המבודד באופן גלווני מאחרים ללא ערימת מתח DC. כל יציאות DC במתח נמוך של ממירי DAB מחוברים במקביל ליצירת אפיק DC מאוחד במתח נמוך.
|
מאפיין חשוב: לא משנה כמה תת-מודולים מחוברים בסדרה,מתח הקישור DC-בינוני של כל תת-מודול בודד נשאר בערכו הנומינלי. מסופי AC המחוברים בסדרה מחלקים רק את מתח AC בתדר הרשת. כל תת-מודול מיישם ויסות מתח עצמאי בלולאה סגורה, כך שקשר ה-DC הפנימי שלו לא יעלה יחד עם מתח הרשת הכולל. תקשורת סיבים אופטיים מאומצת לאותות בקרה בין תחומים בעלי פוטנציאל גבוה לתחומים בעלי פוטנציאל נמוך כדי למנוע הפרעות וסיכוני התמוטטות הנגרמים על ידי פוטנציאלים של מתח גבוה צפים. |
תרשים בלוקים
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
שלב 1: המרת AC-DC דו-כיוונית H-bridge
גשר H חד-פאזי בצד הכניסות מורכב מארבעה מתגי מתח SiC, משרני דחיפה וקבלי DC-link, המיישמים טופולוגיית Boost-PFC דו-כיוונית הפועלת בתדר מיתוג ברמת קילו-הרץ. הוא תומך הן בתיקון והן בהיפוך הקשור לרשת.
במצב תיקון, תת-מודול מקבל מתח AC מחולק בתדר רשת. מיתוג PWM מהיר של מתגי H-bridge משתף פעולה עם משרני דחיפה כדי לאחסן ולשחרר אנרגיית שדה מגנטי, תוך המרת AC בתדר רשת למתח ביניים של קישור DC-קישור. שלב זה מממש גם תיקון של גורם הספק, המבטיח זרם ודיכוי הרמוני בצד הסינוסואיד. יש לציין שמתח הקישור DC חייב לעלות על ערך השיא של מתח AC הכניסה כדי לעמוד בתנאי פעולת הדחיפה.
במהלך פעולת הספק הפוך, ה-H-bridge פועל כמהפך. הוא ממיר את האנרגיה המאוחסנת בקישור ה-DC הביניים בחזרה ל-AC בתדר רשת המוזרק לרשת החשמל. ניתן להשיג תפוקת כוח תגובתי גם עבור ויסות איכות החשמל ברשת.
המרת AC-DC
|
מפרטי מערכת עיקריים של ממיר DC/AC |
||
|
פרמטרים |
מִפרָט |
פרטים |
|
כוח AC נומינלי |
±50kVA |
± פעיל ± תגובתי |
|
מתח AC נומינלי |
1000 VRMS |
|
|
זרם AC נומינלי |
50 זרועות |
|
|
מתח DC נומינלי |
2200VDC |
|
|
DC Link Voltage Ripple |
±200V |
ב-2200V |
|
תדר מיתוג |
מ-5kHz עד 10kHz |
H-גשר חד קוטבי |
|
טכנולוגיית קירור |
קירור חיל האוויר |
מאווררי 12V |
|
טמפרטורת סביבה מקסימלית |
60 מעלות |
|
|
מפרט כוח FET |
3.3kV, 22.5mΩ |
SiC FETs |
שלב 2: המרת DAB Dual-Active-Bridge מבודדת בתדר גבוה DC-DC
בתור ליבת הבידוד של תת-מודול, ה-DAB כולל גשר מלא בצד ראשי, שנאי בתדר גבוה וגשר מלא בצד המשני. הוא פועל במאות קילו-הרץ עם יכולת דו-כיוונית מקורית.
היפוך גשר מלא בצד ראשי: שואב אנרגיה ממקשר ה-DC-הבינוני הקודם של גשר H, SiC מחליף מתח DC לגלי ריבוע AC בתדר גבוה שהמשרעת שלהם שווה למתח הקישור DC, ומזין את הפיתול הראשי של השנאי בתדר גבוה. רובוטריקים אינם יכולים להוליך זרם DC; רק מתח גל ריבועי מתחלף יוצר שדות מגנטיים מתחלפים בתוך הליבה להעברת אנרגיה. פעולה בתדר גבוה מאפשרת ליבות שנאי קטנות יותר ומאפשרת מיתוג מתח אפס (ZVS) כדי להפחית את הפסדי המיתוג.
שנאי בתדר גבוה להמרת מתח ובידוד גלווני: המוזן על ידי גלים מרובעים בתדר גבוה, השנאי משנה את משרעת המתח בהתאם ליחס הסיבובים שלו ומספק בידוד גלווני מלא בין תחומי מתח גבוה ראשוניים ומתח נמוך.יחס המרת המתח נקבע על ידי יחס סיבובי שנאי ולא בקרת הסטת פאזה. השראות הדליפה הפנימית של השנאי משמשת כמשרן העברת הכוח בסדרה עבור ה-DAB.
תיקון פעיל של גשר מלא בצד משני: הגשר המלא בצד המשני מעבד מתח גל ריבועי בתדר גבוה הנמסר על ידי השנאי. שלא כמו יישור דיודות פסיבי, הגשר המלא האקטיבי שולט במדויק על תזמוני מיתוג SiC. בין אם הגל הריבועי נמצא בחצי מחזור חיובי או שלילי, אנרגיית AC מתחלפת מומרת לזרם טעינה עבור קבלי מוצא. קבלי מוצא מסננים אדוות בתדר גבוה ומייצרים פלט DC חלק של מתח נמוך.
עבור זרימת הספק הפוך, הגשר המלא בצד המשני פועל כמהפך, וחותך את המתח הנמוך בחזרה לגלים ריבועיים בתדר גבוה הנשלחים אל השנאי המשני. האנרגיה מועצמת על ידי השנאי, ואז נבנית מחדש למתח DC ביניים על ידי הגשר המלא בצד הראשי.
ה-DAB מאמץ בקרה חד-פאזית (SPS). גשרים מלאים של צד ראשי וגם משני מייצרים צורות גל של גל ריבועי בשיעור של 50% יחס עבודה. הבקר מתאים את הפרש זווית הפאזה בין שתי קבוצות צורות הגל. גודל הסטת פאזה שולט בגודל ההספק המשודר, וקוטביות הסט הפאזה קובעת את כיוון זרימת ההספק.הסטת פאזה מווסתת רק את הספק, היא לא יכולה להשיג התאמת מתח פלט במצב יציב בטווח רחב. כפית מתח המוצא הרחק מנקודת ההפעלה הנומינלית התואמת ליחס הסיבובים תאבד את תנאי ה-ZVS, תכניס זרם מחזורי כבד ויגרום להתחממות יתר של המכשיר. כדי לשנות את מתח המוצא המדורג, יש לעצב מחדש את יחס הסיבובים של שנאי בתדר גבוה.
טְפִיחָה
|
מפרטי מערכת עיקריים של ממיר DC/DC |
||
|
פרמטרים |
מִפרָט |
פרטים |
|
כוח DC נומינלי |
±50 קילוואט |
זרימת כוח דו כיוונית |
|
מתח DC נומינלי MV |
2.2kV |
|
|
זרם DC נומינלי MV |
23A |
|
|
מתח DC נומינלי LV |
1.5 קילו וולט |
|
|
זרם DC נומינלי LV |
33.3A |
|
|
תדר מיתוג |
100kHz |
|
|
טמפרטורת סביבה מקסימלית |
60 מעלות |
|
|
מפרט כוח FET על MV |
3.3kV, 22.5mΩ |
SiC FETs |
|
מפרט כוח FET על LV |
2.3kV, 11.5mΩ |
SiC FETs |
קנה מידה מערכות ואילוצים הנדסיים
ביישומי מתח בינוני בהספק גבוה, קנה מידה של מתח והספק מתממשים על ידי מספר תת-מודולים עם כניסות AC המחוברות בסדרה ויציאות DC המחוברות במקביל. מתח האוטובוס הנפוץ במתח נמוך של תת-מודולים מקבילים ננעל על ידי יחס סיבובי שנאי DAB. כאשר מתח המוצא של המטרה חורג ממתח המוצא הפנימי של DAB, קיימים שני פתרונות מעשיים:
שמור על החומרה המקורית והוסף ממיר DC-DC נוסף שאינו מבודד להורדה לאחר הרגולציה;
תכנן מחדש את השנאי בתדר גבוה, אמת מחדש את הלחץ של הרכיבים וכיוונו מחדש אלגוריתמי בקרה לשינוי DAB עמוק.
|
סיכום שרשרת המרת כוח בכיוון קדימה: |
מדוע SST משיג גודל קומפקטי
שנאי הפצה קונבנציונליים עובדים בתדר קו של 50 הרץ ודורשים שטח חתך גדול של ליבה מגנטית כדי לספק הספק מדורג. על פי עקרונות אלקטרומגנטיים:עבור דירוג הספק נתון, תדר הפעלה גבוה יותר מפחית את נפח ומשקל הליבה הנדרשים.
במקום להניע את שנאי הבידוד ישירות עם מתח רשת של 50 הרץ, אלקטרוניקת הספק SST ממירה כוח בתדר רשת למתח גל ריבועי בתדר גבוה של מאות קילו-הרץ המזין את שנאי הבידוד בתדר גבוה. בהשוואה לתדר הקו, תדר הפעולה גדל באלפי מונים, כך שניתן להפחית את הנפח והמשקל של רכיבים מגנטיים בתדר גבוה ביותר מפי עשרה.
N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax )
k - יחס בין-זמן מקסימלי לזמן ההחלפה, בדרך כלל k=0.4;
U - מתח כניסה ראשי מתפתל (V), שווה בערך למתח הכניסה DC;
f - תדר הפעלה של שנאי (kHz);
Ae - שטח חתך- יעיל של ליבה מגנטית (ס"מ²);
Bmax - התנופה המרבית המותרת של צפיפות השטף המגנטי (G).
חסרונות מובנים
התקני מוליכים למחצה בכמות גדולה מביאים למורכבות חומרה גבוהה ולעלות גבוהה יותר בהשוואה לשנאים רגילים. מיתוג בתדר גבוה מייצר הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), ומטיל דרישות מחמירות על פריסת PCB, עיצוב רכיבים מגנטיים וניהול תרמי. לכן SST לא יחליף באופן מלא שנאי תדר קו, והוא מיושם בעיקר בתרחישים של מערכת חשמל חדשה הדורשים טביעת רגל קומפקטית, זרימת כוח דו-כיוונית, ממשקי DC ובקרת איכות הספק אקטיבית.
