固態(tài)變壓器中使用了哪些關(guān)鍵的電力電子組件？

二維碼 617

作者：大忠電子

這些是構(gòu)成所有變流器（AC-DC、DC-DC、DC-AC）的基礎(chǔ)，是能量轉(zhuǎn)換的執(zhí)行者。對SST而言，這些器件需要具備高電壓、大電流、高開關(guān)頻率和低損耗的特性。

IGBT
- 角色：在中壓、中大功率應(yīng)用中是主力軍。通常用于SST輸入級的AC-AC或AC-DC變換，以及輸出級的逆變器。
- 特點：電壓等級高（可達6.5kV以上），電流容量大，是電壓控制型器件，驅(qū)動電路相對簡單。但在高頻下開關(guān)損耗較大。
SiC MOSFET
- 角色：SST實現(xiàn)高頻化、高功率密度和高效率的關(guān)鍵推動者。大量應(yīng)用于SST的DC-DC隔離級和高頻逆變/整流級。
- 特點：
  - 高開關(guān)頻率：可比IGBT高一個數(shù)量級（可達數(shù)百kHz甚至MHz），這使得磁性元件（變壓器、電感）體積減小。
  - 低開關(guān)損耗：具有較快的開關(guān)速度和軟恢復(fù)體二極管，顯著降低了開關(guān)過程中的能量損失。
  - 高耐溫：能在更高結(jié)溫下工作。
  - 雖然單管電壓和電流等級在不斷提升，但在超高功率場合，可能仍需與IGBT結(jié)合使用或采用多電平拓?fù)洹?/p>
MOSFET
- 角色：主要用于低壓、小功率或輔助電源部分。在早期或?qū)嶒炐缘腟ST中也有應(yīng)用。
- 特點：開關(guān)頻率最高，但電壓和電流等級相對較低。

這是“變壓器”概念的體現(xiàn)，但工作頻率從50/60Hz提升到了數(shù)kHz至數(shù)百kHz。

高頻變壓器
- 角色：實現(xiàn)電氣隔離和電壓變換的核心。它工作在kHz到數(shù)百kHz的高頻下，體積和重量比同功率的傳統(tǒng)工頻變壓器小得多。
- 關(guān)鍵要求：
  - 低損耗：需要采用低損耗的鐵基非晶、納米晶、鐵氧體等高頻磁芯材料。
  - 低漏感：漏感會引起電壓尖峰和開關(guān)應(yīng)力，需要精細的繞組設(shè)計。
  - 高絕緣等級：特別是輸入級的中壓變壓器，需要可靠的絕緣設(shè)計。
高頻電感
- 角色：用于構(gòu)成輸入/輸出濾波器以及DC-DC變換器中的儲能電感。
- 要求：同樣需要高頻低損耗的磁芯材料，并能在高頻大電流下保持電感值不飽和。

電容器在SST中扮演著多種關(guān)鍵角色。

直流鏈路電容器
- 角色：位于整流級和逆變級之間，是SST的“能量水池”。
- 功能：
  - 穩(wěn)定直流母線電壓，緩沖交流側(cè)和直流側(cè)之間的瞬時功率差異。
  - 吸收高頻開關(guān)引起的紋波電流。
- 要求：需要高電容值、高耐壓、低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），以承受高頻紋波電流。通常采用薄膜電容器或電解電容器。
濾波電容器
- 角色：用于輸入和輸出濾波器，濾除開關(guān)頻率產(chǎn)生的高頻諧波，保證輸入電流和輸出電壓的質(zhì)量。
- 要求：對高頻性能要求高，通常使用薄膜電容器或陶瓷電容器。

這是SST的“大腦”和“感官”，實現(xiàn)其智能化功能。

數(shù)字信號處理器 / 微控制器
- 角色：SST的控制核心。執(zhí)行復(fù)雜的控制算法，如PWM信號生成、閉環(huán)控制（電壓、電流）、狀態(tài)監(jiān)測、通信和保護邏輯。
- 要求：需要極高的運算速度和并行處理能力，以實時處理多個控制回路。
驅(qū)動電路
- 角色：接收來自DSP的低壓控制信號，將其放大并轉(zhuǎn)換為能安全、可靠地驅(qū)動功率開關(guān)器件（如IGBT、SiC MOSFET）的柵極信號。
- 關(guān)鍵功能：提供必要的驅(qū)動電壓、電流，并實現(xiàn)電氣隔離（通常通過光耦或變壓器隔離）。
電壓和電流傳感器
- 角色：實時檢測SST關(guān)鍵節(jié)點的電壓和電流，為閉環(huán)控制提供反饋信號，并為保護系統(tǒng)提供觸發(fā)依據(jù)。
- 類型：霍爾效應(yīng)傳感器、羅氏線圈等，要求高帶寬、高精度和高隔離度。

這些關(guān)鍵組件在SST中協(xié)同工作，構(gòu)成了一個典型的多級功率變換系統(tǒng)：

輸入級：由IGBT/SiC MOSFET構(gòu)成的整流器，將工頻交流變?yōu)橹绷鳎⒂?span style="font-weight:600;">直流鏈路電容器支撐。
隔離級：由SiC MOSFET等構(gòu)成的高頻DC-DC變換器，通過高頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離和電壓變換。
輸出級：由IGBT/SiC MOSFET構(gòu)成的逆變器，將直流變換回工頻或所需頻率的交流，并通過LC濾波器平滑輸出。
控制核心：DSP通過傳感器采集信號，經(jīng)過運算后通過驅(qū)動電路控制所有功率開關(guān)，實現(xiàn)精確的能量管理和系統(tǒng)保護。