Выбор топологии твердотельного трансформатора: двухуровневая или трехуровневая и DAB или LLC

Твердотельный трансформатор не следует рассматривать как обычный трансформатор, переделанный с использованием полупроводниковых переключателей. Такая интерпретация слишком узка и часто приводит к неправильной топологии, компонентам и приоритетам проверки.

Для выполнения основных функций понижения напряжения и изоляции обычный трансформатор линейной частоты по-прежнему трудно заменить. Он эффективен, долговечен, относительно экономичен и знаком полевому персоналу. Инженерная ценность твердотельного трансформатора становится яснее, когда несколько функций необходимо объединить в одном управляемом силовом электронном интерфейсе.

Эти функции могут включать преобразование напряжения, гальваническую развязку, преобразование переменного/постоянного тока, изолированное преобразование постоянного/постоянного тока, контролируемый поток мощности, доступные порты постоянного тока и управление качеством электроэнергии. Как только эти требования рассматриваются вместе, выбор топологии становится проектным решением на уровне системы, а не сравнением отдельных схем преобразователя.

Практическая последовательность разработки такова:

Выбор топологии → проектирование параметров → инженерная проверка

Эти этапы взаимозависимы. Топология, которая кажется подходящей во время анализа схемы, может оказаться непрактичной после магнитного проектирования, расчета напряжения полупроводников, испытаний при небольшой нагрузке, оценки изоляции, термического анализа или проверки работоспособности.

Что такое твердотельный трансформатор?

ETH Цюрихописываеттвердотельный трансформатор, или SST, как гальванически изолированный силовой электронный интерфейс между электрическими системами. Он использует управляемое преобразование мощности для объединения преобразования напряжения и изоляции с такими функциями, как преобразование переменного/постоянного тока, преобразование постоянного/постоянного тока, управление потоком мощности, доступ к постоянному току и возможности поддержки сети. (pes-publications.ee.ethz.ch)

SST как интегрированный интерфейс силовой электроники

Определяющей характеристикой SST является не просто использование переключающих устройств. Его основная ценность заключается в интеграции функций, которые в противном случае потребовали бы нескольких отдельных устройств или этапов преобразования.

SST может обеспечивать электрическую изоляцию, одновременно контролируя величину и направление передачи энергии. Он может создавать промежуточное звено постоянного тока, обеспечивать регулируемый выход постоянного тока, взаимодействовать с нагрузкой переменного тока или поддерживать функции качества электроэнергии при подключении к сети.

Это меняет основу сравнения.

Обычный трансформатор в первую очередь оценивается как пассивное устройство преобразования напряжения и изолирующее устройство. SST необходимо оценивать как полную силовую электронную систему, содержащую полупроводниковые переключатели, магнитные компоненты, конденсаторы, драйверы затворов, контуры управления, функции защиты, тепловые пути и изоляционную структуру.

Поэтому его пригодность зависит от применения. SST не является автоматически лучшим, поскольку он обеспечивает активное управление, а обычный трансформатор не является устаревшим просто потому, что ему не хватает функциональных возможностей силовой электроники.

Почему обычный трансформатор остается надежным для базовых понижающих приложений

Когда требования ограничиваются надежным преобразованием напряжения и гальванической развязкой, обычный трансформатор сетевой частоты по-прежнему обеспечивает надежную инженерную основу.

Соответствующий вопрос не в том, превосходит ли SST обычный трансформатор в каждой категории. Вопрос в том, достаточны ли преимущества приложения от управляемого преобразования, доступа к постоянному току, управления потоками энергии и функциональной интеграции, чтобы оправдать дополнительную сложность системы.

Как архитектура SST разделяет задачи преобразования энергии

Архитектура трехступенчатого твердотельного трансформатора

Общая архитектура SST разделяет процесс преобразования на три основных этапа:

1. Стадия переменного/постоянного тока со стороны сети

2. Изолированная ступень DC/DC

3. Инвертор на стороне нагрузки или регулируемый выходной каскад постоянного тока.

Это не единственная возможная конфигурация SST. Модульные, матричные, изолированные внешние, изолированные внутренние и многоуровневые архитектуры могут организовать эти функции по-разному.

Тем не менее трехэтапная модель обеспечивает практическую основу для понимания того, где обычно принимаются два основных решения по топологии:

• Двухуровневое и трехуровневое преобразование на этапе обращения к сетке

• Преобразование DAB в сравнении с LLC на изолированной стадии DC/DC

Внешнее преобразование переменного/постоянного тока

Предварительный каскад подключает SST к системе переменного тока и устанавливает управляемое звено постоянного тока. В зависимости от приложения он также может управлять контролируемым потоком энергии и поддерживать необходимые функции качества электроэнергии.

Выбор между двухуровневой и трехуровневой структурой влияет на:

• Полупроводниковое напряжение напряжения

• Ступенчатое напряжение коммутационного узла

• Требования к фильтру

• Количество полупроводников

• Требования к драйверу ворот

• Сложность управления

• Последовательность защиты

• Масштабируемость системы

Снижение количества полупроводников не всегда является самой важной целью. При более высоком напряжении звена постоянного тока блокирующее напряжение, подаваемое на каждое устройство, может стать доминирующим ограничением.

Многоуровневая топология может распределить это напряжение, но при этом возникают дополнительные состояния переключения, конденсаторы или пути ограничения, а также требования к балансировке. Поэтому топологию следует оценивать как часть всего преобразователя, а не только по количеству устройств.

Изолированное преобразование постоянного/постоянного тока

Изолированный каскад постоянного/постоянного тока передает мощность через высокочастотный или среднечастотный трансформатор, сохраняя при этом гальваническую развязку между электрическими доменами.

Эту ступень нельзя выбрать независимо от конструкции трансформатора. Индуктивность рассеяния, индуктивность намагничивания, резонансные компоненты, частота переключения, емкость полупроводника, мертвое время и стратегия модуляции — все это влияет на передачу мощности и поведение мягкого переключения.

DAB и LLC являются важными кандидатами, но они используют разные механизмы передачи энергии. Их пригодность зависит от:

• Требуемое направление потока мощности

• Соотношение входного и выходного напряжения

• Требуемый диапазон усиления

• Ожидаемый профиль нагрузки

• Диапазон плавного переключения

• Магнитно-компонентная конструкция

• Пределы тока циркуляции

• Возможность управления

Двухуровневая и трехуровневая топологии преобразователей для входных каскадов SST

Двухуровневый преобразователь и трехуровневый преобразователь не следует сравнивать только путем подсчета переключателей или сравнения одного значения пикового КПД.

Полезное сравнение начинается с эксплуатационных требований:

• Каково напряжение звена постоянного тока?

• Какое запирающее напряжение должен выдерживать каждый полупроводник?

• Какой шаг напряжения коммутационного узла допустим?

• Какая фильтрация требуется?

• Какую сложность управления может поддерживать проект?

• Требует ли топология балансировки нейтральной точки или напряжения конденсатора?

• Можно ли проверить аномальные состояния переключения и состояния неисправности?

Как работает двухуровневый преобразователь

Обычная двухуровневая коммутационная ветвь переключает свой выходной узел между положительной и отрицательной шинами звена постоянного тока.

Поэтому главные коммутационные устройства должны выдерживать соответствующее полное напряжение звена постоянного тока, включая запас, необходимый для коммутационного перенапряжения, переходных процессов, защитной реакции и снижения номинальных характеристик.

Двухуровневая структура имеет меньше состояний напряжения и, как правило, меньше активных и фиксирующих устройств, чем трехуровневая реализация. Это может упростить:

• Ворота вождения

• Модуляция

• Логика защиты

• Последовательность выключения

• Разводка печатной платы

• Анализ неисправностей

Компромисс заключается в том, что коммутационный узел испытывает полный переход напряжения в звене постоянного тока. Этот шаг напряжения влияет на потери при переключении, электромагнитное напряжение, синфазное поведение и фильтрацию, необходимую для контроля пульсаций и выбросов тока.

При более высоких напряжениях звена постоянного тока выбор устройства может стать ограничительным. Полупроводник с достаточным запирающим напряжением может не обеспечить желаемый баланс между потерями проводимости, потерями переключения, скоростью переключения и тепловыми характеристиками.

Таким образом, двухуровневая топология по своей сути не является худшей. Он остается привлекательным, когда требования к нагрузке устройства, фильтрации, частоте коммутации, изоляции и тепловым нагрузкам могут быть удовлетворены без внесения ненужной многоуровневой сложности.

Как трехуровневый преобразователь NPC распределяет напряжение напряжения

Трехуровневый преобразователь с фиксированием нейтральной точки использует разделенное звено постоянного тока и пути ограничения для создания трех уровней напряжения коммутационного узла:

• (+V_{постоянный ток}/2)

• (0)

• (-V_{dc}/2)

В предполагаемом сбалансированном состоянии шаг напряжения, подаваемого на выход или фильтр, может быть уменьшен по сравнению с обычным двухуровневым звеном.

Отдельные устройства также могут работать примерно с половиной полной нагрузки на блокировку звена постоянного тока, в зависимости от состояния переключения, стратегии защиты, баланса напряжений и точной реализации NPC.

Снижение напряжения на устройстве может расширить доступные варианты полупроводников. Окончательный выбор устройства все равно должен учитывать потери проводимости, потери переключения, запас переходных процессов, поведение корпуса и тепловые ограничения.

Преимущество напряжения-напряжения сопровождается дополнительными требованиями к конструкции. Ветка NPC содержит больше полупроводниковых приборов и зажимных дорожек, и ее правильная работа зависит от безопасной последовательности коммутации и стабильного напряжения разделенной шины.

Линия постоянного тока на 900 В в сочетании с устройствами на 650 В иногда используется для иллюстрации преимуществ многоуровневого преобразования при повышении напряжения. Однако идентичность топологии имеет значение.

Texas Instruments идентифицирует TIDA-010957кактрехуровневый преобразователь с летающим конденсатором, а не конвертер NPC. Проект демонстрирует использование устройств GaN на 650 В с напряжением звена постоянного тока до 900 В, но его не следует представлять как эталонный проект, специфичный для NPC.

Общий инженерный принцип остается в силе: многоуровневый преобразователь может распределять напряжение по всей своей коммутационной структуре. Метод различается в топологиях NPC, активном NPC, Т-типе, Венской топологии и топологии летающего конденсатора.

Двухуровневый и трехуровневый конвертер NPC

Балансировка напряжения нейтральной точки в трехуровневой топологии NPC

Средняя точка разделенного звена постоянного тока является активным конструктивным ограничением, а не пассивной контрольной точкой.

Различные состояния переключения и направления тока могут заряжать и разряжать верхние и нижние конденсаторы звена постоянного тока неравномерно. Если их напряжения расходятся, предполагаемые уровни (+V_{dc}/2), (0) и (-V_{dc}/2) перестают быть симметричными.

Этот дисбаланс может повлиять на:

• Полупроводниковое напряжение напряжения

• Качество выходного сигнала

• Поведение модуляции

• Запас защиты

• Доступные состояния переключения

Контроллеру может потребоваться выбрать резервные состояния переключения или настроить последовательность модуляции, чтобы влиять на ток нейтральной точки.

Способность балансировки может меняться в зависимости от направления нагрузки, индекса модуляции, коэффициента мощности и направления потока мощности. Запуск, остановка, работа с малой нагрузкой, регенерация и устранение неисправностей также требуют проверки.

Таким образом, более низкая номинальная нагрузка на устройство не упрощает автоматическую реализацию топологии NPC. Уменьшенный шаг напряжения коммутационного узла заменяется дополнительными требованиями к управлению состоянием и управлению средней точкой.

Балансировка напряжения нейтральной точки NPC

Двухуровневые и трехуровневые критерии выбора

Двухуровневая топология обычно привлекательна, когда в проекте доминируют простота, ясность защиты, анализ неисправностей и зрелость управления.

Трехуровневая топология NPC становится более привлекательной, когда напряжение звена постоянного тока, доступность устройства, требования к форме сигнала или производительность переключения делают распределение напряжения достаточно ценным, чтобы оправдать дополнительное оборудование и управление средней точкой.

DAB против LLC для изолированной ступени постоянного/постоянного тока

Изолированная топология DC/DC должна выбираться в соответствии с полным рабочим диапазоном, а не с именем топологии.

И DAB, и LLC используют высокочастотную изоляцию, но их механизмы передачи энергии и основные переменные управления различны. Их выбор влияет на конструкцию трансформатора, токовую нагрузку, коэффициент усиления по напряжению, поведение мягкого переключения, двунаправленную работу и характеристики при малой нагрузке.

Принцип работы DAB и факторы принятия инженерных решений

Адвойной активный мост, или DAB, использует активно переключаемые мосты с обеих сторон высокочастотного трансформатора.

Поскольку обе стороны содержат активные коммутационные мосты, топология естественным образом подходит для контролируемой двунаправленной передачи мощности.

Мощность обычно регулируется путем изменения временного соотношения между напряжениями моста. В базовой реализации это достигается за счет управления фазовым сдвигом. Более продвинутые методы модуляции могут вводить дополнительные временные переменные.

Индуктивность рассеяния трансформатора или дополнительная последовательная индуктивность является частью механизма передачи мощности. Он формирует ток, протекающий между мостами, и вносит накопленную энергию, необходимую во время коммутационных переходов.

Это создает одновременно гибкость и чувствительность.

Та же самая индуктивность, которая обеспечивает контролируемую передачу энергии, также влияет на:

• Текущий наклон

• Пиковый ток

• Среднеквадратический ток

• Реактивная мощность

• Циркулирующая энергия

• Диапазон переключения при нулевом напряжении

Базовая стратегия сдвига фаз может быть относительно прямой, но она не гарантирует оптимальную производительность в широком диапазоне коэффициентов напряжения и нагрузки. Дополнительные переменные модуляции могут снизить токовую нагрузку или расширить область мягкого переключения, но они также усложняют управление и калибровку.

Основными факторами выбора DAB являются:

• Требуется ли двунаправленный поток мощности

• Ожидаемый коэффициент трансформации

• Требуемый диапазон мощности

• Допустимый ток циркуляции

• Требуемый диапазон плавного переключения

• Доступные возможности управления

• Цель трансформатора: индуктивность рассеяния

• Требования к запуску, реверсированию и реагированию на неисправности

Принцип работы ООО и факторы принятия инженерных решений

АнООО резонансный преобразовательопределяется тремя основными резонансными элементами:

• Резонансная индуктивность (L_r)

• Индуктивность намагничивания трансформатора (L_m)

• Резонансная емкость (C_r)

Часть или вся резонансная индуктивность может быть реализована через индуктивность рассеяния трансформатора. Индуктивность намагничивания принадлежит магнитной структуре трансформатора, тогда как резонансный конденсатор обычно является внешним.

Усиление напряжения регулируется в основном за счет изменения частоты переключения относительно резонансных частот сети.

Преобразователь может обеспечить благоприятные условия переключения, если резонансный резервуар спроектирован с учетом предполагаемых:

• Диапазон входного напряжения

• Выходное напряжение

• Диапазон нагрузки

• Окно частоты переключения

• Требование усиления

Если требуемый диапазон преобразования становится слишком широким, преобразователю LLC может потребоваться работать далеко от предпочтительной резонансной области. Это может увеличить ток циркуляции, расширить диапазон частот переключения, усложнить магнитную конструкцию или уменьшить доступный запас мягкого переключения.

Поэтому утверждение о том, что LLC-преобразователь обеспечивает переключение при нулевом напряжении, не следует интерпретировать как безусловное.

Фактическая граница мягкого переключения зависит от:

• Нагрузка

• Параметры резонансного резервуара

• Ток намагничивания

• Мертвое время

• Емкость устройства

• Требуемый коэффициент усиления напряжения

• Частота переключения

Обычный каскад LLC также может использовать пассивное выпрямление на вторичной стороне. Не следует предполагать, что эта схема обеспечивает ту же двунаправленную возможность, что и DAB, содержащая активные мосты с обеих сторон.

DAB против LLC изолированных топологий DC/DC

Критерии выбора DAB vs LLC

DAB, как правило, является более прямым вариантом, когда контролируемая двунаправленная передача мощности является фундаментальным требованием.

LLC может быть привлекательным, когда рабочий диапазон четко определен и резонансный бак может оставаться в благоприятных условиях на протяжении большей части рабочего цикла.

Решение не должно основываться на единственном результате достижения пиковой эффективности. Для значимого сравнения необходимы эквивалентные коэффициенты напряжения, уровни мощности, полупроводниковые технологии, магнитные ограничения, условия охлаждения, частоты переключения и точки нагрузки.

Конструкция SST должна согласовывать параметры магнитных свойств, плавного переключения и полупроводников.

Параметры сопряженной конструкции SST

Магнитные компоненты, условия мягкого переключения и параметры полупроводников не должны рассчитываться как отдельные пакеты работ.

Каждая область проектирования изменяет условия эксплуатации других.

Трансформатор, оптимизированный только по размеру, может создавать чрезмерные утечки или циркулирующий ток. Полупроводник, выбранный только из-за низких потерь проводимости, может потребовать условий переключения, которые не может обеспечить магнитная цепь. Теоретически допустимое условие мягкого переключения может не работать в прототипе, поскольку реальная паразитная сеть отличается от модели.

Почему магнитные параметры влияют на условия переключения

В DAB передаточная индуктивность влияет:

• Передаваемая мощность

• Текущий наклон

• Пиковый ток

• Среднеквадратический ток

• Реактивная энергия

• Энергия, доступная для переключения переходов

Если индуктивность слишком мала, токовое напряжение может быстро возрасти. Если оно слишком велико, способность передачи мощности или динамический отклик могут стать ограничительными.

Правильное значение зависит от коэффициента напряжения, частоты переключения, метода модуляции, уровня мощности и поведения полупроводника.

В преобразователе LLC (L_r), (L_m) и (C_r) определяют кривую усиления и резонансные частоты. Они также влияют на циркулирующий ток, ток намагничивания, диапазон частот переключения и границы мягкого переключения.

Модификация трансформатора, предназначенная для улучшения изоляции или тепловых характеристик, может изменить его индуктивности рассеяния и намагничивания. Это может вывести преобразователь из предполагаемой рабочей области.

Поэтому магнитная конструкция должна учитывать не только размер сердечника и потери в меди. Также следует рассмотреть:

• Функциональная утечка или резонансная индуктивность

• Индуктивность намагничивания

• Паразитная емкость

• Расстояние изоляции

• Диэлектрическая структура

• Расположение намотки

• Частотно-зависимые потери в обмотке

• Потеря ядра

• Тепловой путь

• Поведение при частичном разряде

Почему выбор устройства нельзя отделять от компоновки и теплового расчета

Спецификация полупроводников не отражает полную коммутационную среду.

Выходная емкость устройства влияет на энергию, необходимую для переключения при нулевом напряжении. Заряд затвора и внутреннее сопротивление затвора влияют на требования драйвера. Индуктивность корпуса и межсоединения печатной платы влияют на перерегулирование, звон и скорость переключения.

Время простоя должно быть скоординировано с имеющимся током для завершения коммутационного перехода. Сопротивление затвора изменяет скорость переключения, но также влияет на потери и выбросы.

Питание драйвера затвора, изолирующий барьер, защитная реакция и поведение синфазного сигнала должны быть совместимы с выбранной полупроводниковой технологией.

Частота переключения затем влияет на размер магнитного поля, потери в полупроводнике, требования к охлаждению и напряжение изоляции.

Увеличение частоты может уменьшить магнитный объем, но также может увеличиться:

• Потери при переключении

• Потери в обмотке

• Диэлектрические потери

• Термическая концентрация

• Чувствительность к паразитическим компонентам

Поэтому решения по электрическим, магнитным, термическим, изоляционным, управляющим и компоновочным решениям должны решаться как одна скоординированная проектная задача.

Пять требований к инженерной проверке проектов высоковольтного SST

Пять требований заслуживают раннего внимания при разработке высоковольтных и модульных SST:

1. Не рассчитывайте магнитные компоненты, мягкое переключение и параметры полупроводников самостоятельно.

2. Отдельно проверьте работу при небольшой нагрузке.

3. Выполните тестирование частичного разряда перед полной сборкой прототипа.

4. Поддерживайте паразитную индуктивность затвора-контура ниже заданного значения проекта.

5. Определите стратегию обхода перед созданием многомодульной системы.

Эти требования были связаны с проектами SST, обозначенными как≥3 кВ. Маркировка напряжения является неполной, если не указано соответствующее местоположение напряжения и его основа переменного или постоянного тока.

Пять требований к инженерной проверке высоковольтных SST

Отдельно проверьте работу при небольшой нагрузке

Характеристики номинальной нагрузки не определяют производительность при малой нагрузке.

В DAB переключение при нулевом напряжении частично зависит от энергии, запасенной в передаточной индуктивности. При более низкой передаваемой мощности доступного тока может быть недостаточно для зарядки и разрядки полупроводниковых емкостей во время интервала переключения.

Поэтому преобразователь может потерять мягкое переключение, даже если его форма сигнала при номинальной нагрузке является удовлетворительной.

Дополнительное потребление также представляет собой большую долю входной мощности при небольшой нагрузке. Драйверы затворов, управляющая электроника, цепи датчиков, охлаждения и предварительной зарядки могут доминировать над потерями, которые менее значительны при номинальной мощности.

Стадия LLC может столкнуться с другим ограничением. Поддержание регулирования при небольшой нагрузке может потребовать значительного изменения частоты переключения или специального режима работы при малой нагрузке.

Валидация при небольшой нагрузке должна проверять:

• Формы сигналов переключающего узла

• Запас переключения при нулевом напряжении

• Среднеквадратичное значение и циркулирующий ток

• Стабильность контура управления

• Потребление вспомогательной энергии

• Регулирование мощности

• Тепловое распределение

Никакой фиксированный процент нагрузки не следует рассматривать как универсальное определение легкой нагрузки. Тестовые точки должны отражать фактический рабочий цикл приложения.

Выполните тестирование частичного разряда перед полной сборкой прототипа

Риск частичного разряда следует оценить до того, как изоляционная конструкция будет зафиксирована в полном механическом узле.

Раннее тестирование может выявить слабые места в:

• Обмотки трансформатора

• Межслойная изоляция

• Посадочные материалы

• Терминалы

• Автобусные конструкции

• Разъемы

• Области концентрации эле