Prinsip Kerja Submodul Pengubah Keadaan Pepejal Modular

Transformer keadaan pepejal (SST), juga dikenali sebagai pengubah elektronik kuasa, berbeza daripada transformer frekuensi talian konvensional yang beroperasi pada medan magnet 50 Hz. Ia ialah peranti penukaran kuasa boleh dikawal yang terdiri daripada penukar elektronik kuasa dan pengubah frekuensi tinggi. Transformer frekuensi talian konvensional hanya mengubah voltan secara pasif mengikut nisbah lilitan. Selain pengasingan galvanik dan penukaran voltan, SST menyediakan keupayaan terkawal digital termasuk aliran kuasa dua arah, peraturan voltan, penindasan harmonik dan pampasan kuasa reaktif, berfungsi sebagai penghala kuasa dalam grid pintar.

Persediaan Papan

https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs

Sub-modul Seni Bina Keseluruhan

Setiap sub-modul terdiri daripada dua bahagian perkakasan utama: unit penukaran voltan tinggi AC-DC dan unit DC-DC terpencil frekuensi tinggi DAB. Untuk aplikasi grid voltan sederhana seperti sistem 10 kV, berbilang sub-modul disambungkan secara bersiri padaTerminal sisi ACuntuk berkongsi jumlah voltan grid. Setiap sub-modul memiliki pautan DC-perantaraan bebas, yang diasingkan secara galvani daripada yang lain tanpa tindanan voltan DC. Semua output DC voltan rendah penukar DAB disambung secara selari untuk membentuk bas DC voltan rendah bersatu.

Gambarajah Blok

https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs

Peringkat 1: Penukaran AC‑DC Dwiarah H‑bridge

Jambatan H fasa tunggal sisi input terdiri daripada empat suis kuasa SiC, induktor rangsangan dan kapasitor pautan DC, melaksanakan topologi Boost‑PFC dua arah yang beroperasi pada frekuensi pensuisan tahap kilohertz. Ia menyokong kedua-dua pembetulan dan penyongsangan grid terbalik.

Dalam mod pembetulan, sub-modul menerima voltan AC frekuensi grid dibahagikan. Pensuisan PWM berkelajuan tinggi bagi suis H‑bridge bekerjasama dengan induktor rangsangan untuk menyimpan dan membebaskan tenaga medan magnet, menukar AC frekuensi grid kepada voltan pautan DC perantaraan yang stabil. Peringkat ini juga merealisasikan pembetulan faktor kuasa, memastikan arus sisi grid sinusoidal dan penindasan harmonik. Perlu diingatkan bahawa voltan pautan DC mesti melebihi nilai puncak voltan AC input untuk memenuhi keadaan operasi rangsangan.

Semasa operasi kuasa terbalik, jambatan H berfungsi sebagai penyongsang. Ia menukarkan tenaga yang disimpan pada pautan DC perantaraan kembali kepada AC frekuensi grid yang disuntik ke dalam grid utiliti. Output kuasa reaktif juga boleh dicapai untuk peraturan kualiti kuasa grid.

Penukaran AC‑DC

Peringkat 2: DAB DAB‑Active‑Bridge High‑Frekuensi Terpencil DC‑DC Penukaran

Sebagai teras pengasingan sub-modul, DAB terdiri daripada jambatan penuh sisi primer, pengubah frekuensi tinggi dan jambatan penuh sisi sekunder. Ia beroperasi pada ratusan kilohertz dengan keupayaan kuasa dua arah asli.

Penyongsangan jambatan penuh sisi utama: Menarik tenaga daripada pautan DC perantaraan H‑jambatan sebelumnya, SiC menukar voltan DC ke dalam gelombang persegi AC frekuensi tinggi yang amplitudnya sama dengan voltan pautan DC, memberi suapan kepada belitan utama pengubah frekuensi tinggi. Transformer tidak boleh mengalirkan arus DC; hanya voltan gelombang persegi berselang-seli mewujudkan medan magnet berselang-seli di dalam teras untuk pemindahan tenaga. Operasi frekuensi tinggi membolehkan teras pengubah yang lebih kecil dan membenarkan pensuisan voltan sifar (ZVS) untuk mengurangkan kehilangan pensuisan.

Pengubah frekuensi tinggi untuk perubahan voltan dan pengasingan galvanik: Diberikan oleh gelombang persegi frekuensi tinggi, pengubah mengubah amplitud voltan mengikut nisbah lilitan penggulungannya dan menyediakan pengasingan galvanik lengkap antara domain primer voltan tinggi dan sekunder voltan rendah.Nisbah penukaran voltan ditentukan oleh nisbah pusingan transformer dan bukannya kawalan anjakan fasa. Kearuhan kebocoran intrinsik pengubah digunakan sebagai induktor pemindahan kuasa siri untuk DAB.

Pembetulan aktif jambatan penuh sisi sekunder: Jambatan penuh sisi sekunder memproses voltan gelombang persegi frekuensi tinggi yang dihantar oleh pengubah. Tidak seperti pembetulan diod pasif, jambatan penuh aktif mengawal pemasaan pensuisan SiC dengan tepat. Sama ada gelombang segi empat sama dalam separuh kitaran positif atau negatif, tenaga AC berselang-seli ditukar kepada arus pengecasan untuk kapasitor keluaran. Kapasitor output menapis riak frekuensi tinggi dan menghasilkan output DC voltan rendah yang licin.

Untuk aliran kuasa songsang, jambatan penuh sisi sekunder bertindak sebagai penyongsang, memotong DC voltan rendah kembali menjadi gelombang persegi frekuensi tinggi yang dihantar ke sekunder pengubah. Tenaga dirangsang oleh pengubah, kemudian dibina semula menjadi voltan DC perantaraan oleh jambatan penuh sisi primer.

DAB menggunakan kawalan anjakan fasa tunggal (SPS). Kedua-dua jambatan penuh sisi primer dan sekunder menjana bentuk gelombang gelombang segi empat sama nisbah tugas-tugas 50. Pengawal melaraskan perbezaan sudut fasa antara dua set bentuk gelombang. Magnitud anjakan fasa mengawal magnitud kuasa yang dihantar, dan kekutuban anjakan fasa menentukan arah aliran kuasa.Anjakan fasa hanya mengawal kuasa, ia tidak dapat mencapai pelarasan voltan keluaran keadaan mantap julat luas. Memaksa voltan keluaran jauh dari titik operasi nominal yang sepadan dengan nisbah lilitan akan kehilangan keadaan ZVS, memperkenalkan arus peredaran yang berat dan menyebabkan peranti menjadi terlalu panas. Untuk menukar voltan keluaran terkadar, nisbah pusingan pengubah frekuensi tinggi mesti direka bentuk semula.

DAB

Penskalaan Sistem dan Kekangan Kejuruteraan

Dalam aplikasi kuasa tinggi voltan sederhana, penskalaan voltan dan kuasa direalisasikan oleh berbilang sub-modul dengan input AC bersiri dan output DC bersambung selari. Voltan bas voltan rendah biasa bagi sub-modul selari dikunci oleh nisbah pusingan pengubah DAB. Apabila voltan keluaran sasaran menyimpang daripada voltan keluaran DAB intrinsik, dua penyelesaian praktikal wujud:

Kekalkan perkakasan asal dan tambah penukar DC‑DC tambahan yang tidak terpencil untuk langkah turun selepas peraturan;

Reka bentuk semula pengubah frekuensi tinggi, sahkan semula tekanan komponen dan algoritma kawalan penalaan semula untuk pengubahsuaian DAB yang mendalam.

Mengapa SST Mencapai Saiz Padat

Transformer pengedaran konvensional berfungsi pada frekuensi talian 50 Hz dan memerlukan kawasan keratan rentas teras magnet yang besar untuk menyampaikan kuasa terkadar. Mengikut prinsip elektromagnet:untuk penarafan kuasa yang diberikan, kekerapan operasi yang lebih tinggi mengurangkan volum dan berat teras yang diperlukan.

Daripada memacu pengubah pengasingan secara terus dengan voltan sesalur 50 Hz, elektronik kuasa SST menukar kuasa frekuensi grid kepada voltan gelombang persegi frekuensi tinggi beratus-ratus kHz yang memberi makan kepada pengubah pengasingan frekuensi tinggi. Berbanding dengan frekuensi talian, kekerapan operasi meningkat beribu-ribu kali, jadi isipadu dan berat komponen magnet frekuensi tinggi boleh dikurangkan lebih daripada sepuluh kali ganda.

N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax )

k - Nisbah maksimum pada-masa kepada tempoh bertukar, biasanya k=0.4;

U - Voltan masukan belitan primer (V), lebih kurang sama dengan voltan masukan DC;

f - Kekerapan operasi pengubah (kHz);

Ae - Luas keratan rentas-berkesan teras magnetik (cm²);

Bmax - Ayunan maksimum yang dibenarkan bagi ketumpatan fluks magnetik (G).

Kelemahan yang wujud

Peranti semikonduktor kuantiti besar membawa kerumitan perkakasan yang tinggi dan kos yang lebih tinggi berbanding dengan pengubah konvensional. Pensuisan frekuensi tinggi menghasilkan gangguan elektromagnet (EMI), mengenakan keperluan ketat pada susun atur PCB, reka bentuk komponen magnetik dan pengurusan terma. Oleh itu SST tidak akan menggantikan sepenuhnya pengubah frekuensi talian, dan digunakan terutamanya dalam senario sistem kuasa baharu yang menuntut jejak padat, aliran kuasa dua arah, antara muka DC dan kawalan kualiti kuasa aktif.