Arbejdsprincip for modulært solid-state transformer-undermodul

En solid-state transformer (SST), også kendt som en kraftelektronisk transformer, adskiller sig fra konventionelle linjefrekvenstransformere, der arbejder på 50 Hz magnetfelter. Det er en kontrollerbar effektkonverteringsenhed, der er sammensat af kraftelektroniske omformere og højfrekvente transformere. Konventionelle linjefrekvenstransformatorer transformerer kun passivt spænding i henhold til omdrejningsforhold. Ud over galvanisk isolation og spændingskonvertering giver SST'er digitalt kontrollerede funktioner, herunder tovejs strømflow, spændingsregulering, harmonisk undertrykkelse og reaktiv effektkompensation, der fungerer som strømroutere i smarte net.

Board opsætning

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

Undermodul overordnet arkitektur

Hvert undermodul består af to store hardwaresektioner: en AC-DC højspændingskonverteringsenhed og en DAB højfrekvent isoleret DC-DC enhed. Til mellemspændingsnetapplikationer såsom 10 kV-systemer er flere undermoduler forbundet i serie ved deresAC-side terminalerat dele den samlede netspænding. Hvert undermodul ejer et uafhængigt mellemliggende DC-link, som er galvanisk isoleret fra andre uden DC-spændingsstabling. Alle lavspændings-DC-udgange på DAB-konvertere er forbundet parallelt for at danne en samlet lavspændings-DC-bus.

Blokdiagram

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

Trin 1: Tovejs H-bro AC-DC konvertering

Den enkeltfasede H-bro på indgangssiden består af fire SiC-strømafbrydere, boost-induktorer og DC-link-kondensatorer, der implementerer en tovejs Boost-PFC-topologi, der fungerer ved omskiftningsfrekvens på kilohertz-niveau. Den understøtter både ensretning og omvendt net-bundet inversion.

I ensretningstilstand modtager undermodulet delt netfrekvent vekselspænding. Højhastigheds-PWM-switching af H-bro-switche samarbejder med boost-induktorer for at lagre og frigive magnetfeltenergi og konvertere netfrekvens AC til stabiliseret mellemliggende DC-link-spænding. Dette trin realiserer også effektfaktorkorrektion, hvilket sikrer sinusformet strøm og harmonisk undertrykkelse på nettet. Det skal bemærkes, at DC-link-spændingen skal overstige spidsværdien af ​​input AC-spænding for at tilfredsstille boost-driftsbetingelser.

Under omvendt drift fungerer H-broen som en inverter. Den konverterer energi, der er lagret på det mellemliggende DC-link, tilbage til netfrekvens-AC, der indsprøjtes i forsyningsnettet. Reaktiv effekt kan også opnås til regulering af netstrømkvaliteten.

AC-DC konvertering

Trin 2: DAB Dual‑Active‑Bridge højfrekvent isoleret DC‑DC konvertering

Som isolationskernen i undermodulet består DAB af en helbro på primærsiden, en højfrekvenstransformer og en fuldbro på sekundærsiden. Den fungerer ved hundredvis af kilohertz med indbygget tovejs-effekt.

Primær-side helbro-inversion: Ved at trække energi fra den foregående H-bro mellem DC-link skifter SiC chop DC-spænding til højfrekvente AC-firkantbølger, hvis amplitude er lig med DC-link-spændingen, og forsyner den primære vikling af højfrekvenstransformeren. Transformatorer kan ikke lede jævnstrøm; kun vekslende firkantbølgespænding etablerer vekslende magnetiske felter inde i kernen til energioverførsel. Højfrekvent drift muliggør mindre transformerkerner og tillader nulspændingsskift (ZVS) for at reducere koblingstab.

Højfrekvent transformer til spændingstransformation og galvanisk isolering: Forsynet af højfrekvente firkantbølger ændrer transformeren spændingsamplituden i overensstemmelse med dens viklingsdrejningsforhold og giver fuldstændig galvanisk isolation mellem højspændings primære og lavspændings sekundære domæner.Spændingskonverteringsforhold bestemmes af transformatorens omdrejningsforhold i stedet for faseforskydningskontrol. Transformatorens iboende lækageinduktans bruges som seriestrømsoverførselsspolen for DAB'en.

Sekundær-side fuld-bro aktiv ensretning: Den sekundære side fuldbro behandler højfrekvent firkantbølgespænding leveret af transformeren. I modsætning til passiv diode-ensretning styrer den aktive fuldbro nøjagtigt SiC-switchingstidspunkter. Uanset om firkantbølgen er i positiv eller negativ halvcyklus, konverteres vekselstrømsenergien til ladestrøm for udgangskondensatorer. Udgangskondensatorer filtrerer højfrekvente krusninger og producerer jævnt lavspændings DC-output.

Til omvendt strømstrøm fungerer den sekundære side af fuldbroen som en inverter, der skærer lavspændings-DC tilbage til højfrekvente firkantbølger, der sendes til transformatorens sekundære. Energi boostes af transformeren og rekonstrueres derefter til mellemliggende jævnspænding af den primære helbro.

DAB'en anvender enkeltfaseskift (SPS) kontrol. Både den primære og den sekundære side af fuldbroer genererer firkantbølgeformer med 50 % duty-ratio. Controlleren justerer fasevinkelforskellen mellem de to sæt bølgeformer. Faseforskydningsstørrelsen styrer den transmitterede effektstørrelse, og faseforskydningspolariteten bestemmer strømningsretningen.Faseskift regulerer kun strøm, det kan ikke opnå bred steady-state udgangsspændingsjustering. Hvis udgangsspændingen tvinges langt væk fra det nominelle driftspunkt, der matcher drejningsforholdet, vil ZVS-tilstande mistes, indføre kraftig cirkulationsstrøm og forårsage alvorlig overophedning af enheden. For at ændre den nominelle udgangsspænding skal højfrekvente transformatoromdrejningsforhold redesignes.

DAB

Systemskalering og tekniske begrænsninger

I højeffektapplikationer med mellemspænding realiseres spændings- og effektskalering af flere undermoduler med serieforbundne AC-indgange og parallelforbundne DC-udgange. Den almindelige lavspændingsbusspænding for parallelle undermoduler er låst af DAB-transformerens drejningsforhold. Når måludgangsspændingen afviger fra den iboende DAB-udgangsspænding, findes der to praktiske løsninger:

Behold original hardware, og tilføj en ekstra ikke-isoleret DC-DC-konverter til nedtrapning efter regulering;

Redesign højfrekvenstransformeren, genbekræft komponentbelastning og genindstil kontrolalgoritmer til dyb DAB-modifikation.

Hvorfor SST opnår kompakt størrelse

Konventionelle distributionstransformatorer arbejder ved 50 Hz linjefrekvens og kræver stort magnetisk kerne-tværsnitsareal for at levere nominel effekt. Ifølge elektromagnetiske principper:for en given effekt, reducerer højere driftsfrekvens den nødvendige kernevolumen og vægt.

I stedet for at drive isolationstransformatoren direkte med 50 Hz netspænding, konverterer SST-effektelektronik netfrekvent strøm til hundredvis-kHz højfrekvent firkantbølgespænding, der forsyner højfrekvente isolationstransformatoren. Sammenlignet med linjefrekvensen stiger driftsfrekvensen tusindvis af gange, så volumen og vægten af ​​højfrekvente magnetiske komponenter kan reduceres mere end ti gange.

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

k - Forholdet mellem maksimum på-tid til skifteperiode, typisk k=0.4;

U - Primær viklings indgangsspænding (V), omtrent lig med DC-indgangsspænding;

f - Transformatorens driftsfrekvens (kHz);

Ae - Effektivt-tværsnitsareal af magnetisk kerne (cm²);

Bmax - Maksimalt tilladt sving af magnetisk fluxtæthed (G).

Iboende ulemper

Halvlederenheder i store mængder giver høj hardwarekompleksitet og højere omkostninger sammenlignet med konventionelle transformere. Højfrekvent switching producerer elektromagnetisk interferens (EMI), hvilket stiller strenge krav til printkortlayout, magnetisk komponentdesign og termisk styring. Derfor vil SST ikke fuldt ud erstatte linjefrekvenstransformatorer og anvendes hovedsageligt i nye strømsystemscenarier, der kræver kompakt fodaftryk, tovejs strømflow, jævnstrømsgrænseflader og aktiv strømkvalitetskontrol.