หลักการทำงานของโมดูลย่อยหม้อแปลงโซลิดสเตตโมดูลาร์

หม้อแปลงโซลิดสเตต (SST) หรือที่เรียกว่าหม้อแปลงอิเล็กทรอนิกส์กำลัง แตกต่างจากหม้อแปลงความถี่สายทั่วไปที่ทำงานบนสนามแม่เหล็ก 50 Hz เป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานที่ควบคุมได้ซึ่งประกอบด้วยตัวแปลงอิเล็กทรอนิกส์กำลังและหม้อแปลงความถี่สูง หม้อแปลงความถี่สายแบบธรรมดาจะแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบพาสซีฟตามอัตราส่วนรอบเท่านั้น นอกเหนือจากการแยกกระแสไฟฟ้าและการแปลงแรงดันไฟฟ้าแล้ว SST ยังมอบความสามารถในการควบคุมแบบดิจิทัล รวมถึงการไหลของพลังงานแบบสองทิศทาง การควบคุมแรงดันไฟฟ้า การปราบปรามฮาร์มอนิก และการชดเชยพลังงานรีแอกทีฟ ซึ่งทำหน้าที่เป็นเราเตอร์พลังงานในกริดอัจฉริยะ

การตั้งค่าบอร์ด

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

สถาปัตยกรรมโดยรวมของโมดูลย่อย

แต่ละโมดูลย่อยประกอบด้วยส่วนฮาร์ดแวร์หลักสองส่วน: หน่วยแปลงแรงดันไฟฟ้าสูง AC‑DC และหน่วย DC‑DC แยกความถี่สูง DAB สำหรับการใช้งานโครงข่ายแรงดันไฟฟ้าปานกลาง เช่น ระบบ 10 kV โมดูลย่อยหลายโมดูลจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกันขั้วต่อด้าน ACเพื่อแบ่งปันแรงดันไฟฟ้ารวมของกริด โมดูลย่อยแต่ละโมดูลมีดีซีลิงค์กลางอิสระ ซึ่งแยกทางไฟฟ้าจากโมดูลอื่นๆ โดยไม่มีแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงซ้อนกัน เอาต์พุต DC แรงดันต่ำทั้งหมดของตัวแปลง DAB เชื่อมต่อแบบขนานเพื่อสร้างบัส DC แรงดันต่ำแบบรวม

บล็อกไดอะแกรม

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

ขั้นที่ 1: การแปลง AC‑DC ของสะพาน H แบบสองทิศทาง

H-bridge เฟสเดียวด้านอินพุตประกอบด้วยสวิตช์ไฟ SiC สี่ตัว ตัวเหนี่ยวนำบูสต์ และตัวเก็บประจุลิงค์ DC ซึ่งใช้โทโพโลยี Boost‑PFC แบบสองทิศทางที่ทำงานที่ความถี่สวิตช์ระดับกิโลเฮิรตซ์ รองรับทั้งการแก้ไขและการผกผันกริดผูกแบบย้อนกลับ

ในโหมดการแก้ไข โมดูลย่อยจะได้รับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่กริดแบบแบ่ง การสลับ PWM ความเร็วสูงของสวิตช์ H-bridge ทำงานร่วมกับตัวเหนี่ยวนำบูสต์เพื่อจัดเก็บและปล่อยพลังงานสนามแม่เหล็ก โดยแปลง AC ความถี่กริดให้เป็นแรงดันไฟฟ้าดีซีลิงก์ระดับกลางที่เสถียร ขั้นตอนนี้ยังตระหนักถึงการแก้ไขตัวประกอบกำลัง เพื่อให้มั่นใจว่ากระแสด้านกริดไซน์ไซด์และการปราบปรามฮาร์มอนิก ควรสังเกตว่าแรงดันไฟฟ้าดีซีลิงค์จะต้องเกินค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอินพุตเพื่อให้เป็นไปตามสภาวะการทำงานของบูสต์

ในระหว่างการทำงานแบบจ่ายไฟย้อนกลับ H-bridge จะทำงานเป็นอินเวอร์เตอร์ โดยจะแปลงพลังงานที่เก็บไว้ใน DC‑link ระดับกลางกลับไปเป็น AC ความถี่กริดที่ฉีดเข้าไปในโครงข่ายสาธารณูปโภค เอาต์พุตกำลังรีแอกทีฟยังสามารถทำได้สำหรับการควบคุมคุณภาพกำลังไฟฟ้าของโครงข่ายอีกด้วย

การแปลง AC-DC

ขั้นตอนที่ 2: การแปลง DC‑DC แบบแยกความถี่สูง DAB Dual‑Active‑Bridge

เนื่องจากเป็นแกนแยกของโมดูลย่อย DAB จึงประกอบด้วยฟูลบริดจ์ฝั่งหลัก หม้อแปลงความถี่สูง และฟูลบริดจ์ฝั่งรอง ทำงานที่หลายร้อยกิโลเฮิรตซ์พร้อมความสามารถด้านพลังงานแบบสองทิศทาง

การผกผันฟูลบริดจ์ฝั่งปฐมภูมิ: ดึงพลังงานจากดีซีลิงค์ระดับกลาง H-bridge ก่อนหน้า SiC จะสลับสับแรงดันไฟฟ้า DC ให้เป็นคลื่นสี่เหลี่ยม AC ความถี่สูงซึ่งมีแอมพลิจูดเท่ากับแรงดันไฟฟ้า DC-link โดยป้อนขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงความถี่สูง หม้อแปลงไฟฟ้าไม่สามารถนำกระแสไฟฟ้ากระแสตรงได้ เฉพาะแรงดันไฟฟ้าคลื่นสี่เหลี่ยมสลับเท่านั้นที่จะสร้างสนามแม่เหล็กสลับภายในแกนกลางสำหรับการถ่ายโอนพลังงาน การทำงานความถี่สูงช่วยให้แกนหม้อแปลงมีขนาดเล็กลง และอนุญาตให้มีสวิตช์แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ (ZVS) เพื่อลดการสูญเสียการสลับ

หม้อแปลงความถี่สูงสำหรับการแปลงแรงดันไฟฟ้าและการแยกกระแสไฟฟ้า: ป้อนด้วยคลื่นสี่เหลี่ยมความถี่สูง หม้อแปลงจะเปลี่ยนแอมพลิจูดแรงดันไฟฟ้าตามอัตราส่วนการหมุนของขดลวด และให้การแยกทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ระหว่างโดเมนทุติยภูมิแรงดันสูงและแรงดันต่ำอัตราการแปลงแรงดันไฟฟ้าถูกกำหนดโดยอัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลง แทนที่จะเป็นการควบคุมการเปลี่ยนเฟส. ตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหลภายในของหม้อแปลงถูกใช้เป็นตัวเหนี่ยวนำการถ่ายโอนพลังงานแบบอนุกรมสำหรับ DAB

การแก้ไขแบบแอคทีฟแบบเต็มบริดจ์ฝั่งรอง: ฟูลบริดจ์ฝั่งทุติยภูมิจะประมวลผลแรงดันไฟฟ้าคลื่นสี่เหลี่ยมความถี่สูงที่ส่งมาจากหม้อแปลง ต่างจากการแก้ไขไดโอดแบบพาสซีฟตรงที่ฟูลบริดจ์แบบแอคทีฟจะควบคุมการกำหนดเวลาการสลับ SiC ได้อย่างแม่นยำ ไม่ว่าคลื่นสี่เหลี่ยมจะอยู่ในรูปแบบครึ่งวงจรบวกหรือลบ พลังงานไฟฟ้ากระแสสลับสลับจะถูกแปลงเป็นกระแสชาร์จสำหรับตัวเก็บประจุเอาท์พุต ตัวเก็บประจุเอาต์พุตกรองคลื่นความถี่สูงและสร้างเอาต์พุต DC แรงดันต่ำที่ราบรื่น

สำหรับการไหลของพลังงานย้อนกลับ ฟูลบริดจ์ฝั่งทุติยภูมิทำหน้าที่เป็นอินเวอร์เตอร์ โดยตัด DC แรงดันต่ำกลับเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมความถี่สูงที่ส่งไปยังหม้อแปลงรอง พลังงานจะถูกเพิ่มพลังโดยหม้อแปลง จากนั้นสร้างใหม่เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงระดับกลางโดยฟูลบริดจ์ฝั่งปฐมภูมิ

DAB ใช้การควบคุมการเปลี่ยนเฟสเดียว (SPS) ฟูลบริดจ์ทั้งด้านหลักและรองสร้างรูปคลื่นคลื่นสี่เหลี่ยมอัตราส่วนหน้าที่ 50 % ตัวควบคุมจะปรับความแตกต่างของมุมเฟสระหว่างรูปคลื่นสองชุด ขนาดการเปลี่ยนเฟสจะควบคุมขนาดกำลังส่ง และขั้วการเปลี่ยนเฟสจะกำหนดทิศทางการไหลของกำลังการเปลี่ยนเฟสจะควบคุมเฉพาะกำลังไฟเท่านั้น ไม่สามารถปรับแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตในสภาวะคงที่ช่วงกว้างได้. การบังคับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตให้ห่างจากจุดการทำงานที่กำหนดที่มีอัตราส่วนรอบเท่ากันจะสูญเสียสภาวะ ZVS ทำให้เกิดกระแสหมุนเวียนที่หนักหน่วง และทำให้อุปกรณ์ร้อนเกินไปอย่างรุนแรง หากต้องการเปลี่ยนพิกัดแรงดันเอาต์พุต จะต้องออกแบบอัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงความถี่สูงใหม่

แต้ม

การปรับขนาดระบบและข้อจำกัดทางวิศวกรรม

ในการใช้งานกำลังสูงแรงดันไฟฟ้าปานกลาง สเกลแรงดันไฟฟ้าและกำลังทำได้โดยโมดูลย่อยหลายโมดูลที่มีอินพุต AC ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและเอาต์พุต DC ที่เชื่อมต่อแบบขนาน แรงดันไฟฟ้าบัสแรงดันต่ำทั่วไปของโมดูลย่อยแบบขนานถูกล็อคโดยอัตราส่วนรอบของหม้อแปลง DAB เมื่อแรงดันเอาต์พุตเป้าหมายเบี่ยงเบนไปจากแรงดันเอาต์พุต DAB ภายใน มีวิธีแก้ไขปัญหาที่ใช้งานได้จริงสองวิธี:

เก็บฮาร์ดแวร์ดั้งเดิมไว้และเพิ่มตัวแปลง DC‑DC แบบไม่แยกส่วนเพิ่มเติมสำหรับการลดขั้นตอนหลังการควบคุม

ออกแบบหม้อแปลงความถี่สูงใหม่ ตรวจสอบความเค้นของส่วนประกอบอีกครั้ง และปรับแต่งอัลกอริธึมควบคุมใหม่สำหรับการปรับเปลี่ยน DAB ในเชิงลึก

เหตุใด SST จึงมีขนาดกะทัดรัด

หม้อแปลงไฟฟ้าระบบจำหน่ายแบบทั่วไปทำงานที่ความถี่สาย 50 Hz และต้องการพื้นที่หน้าตัดของแกนแม่เหล็กขนาดใหญ่เพื่อจ่ายกำลังไฟพิกัด ตามหลักการแม่เหล็กไฟฟ้า:สำหรับอัตรากำลังที่กำหนด ความถี่ในการทำงานที่สูงขึ้นจะช่วยลดปริมาตรและน้ำหนักของแกนที่ต้องการ.

แทนที่จะขับเคลื่อนหม้อแปลงแยกกระแสโดยตรงด้วยแรงดันไฟฟ้าหลัก 50 Hz อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง SST จะแปลงพลังงานความถี่กริดเป็นแรงดันไฟฟ้าคลื่นสี่เหลี่ยมความถี่สูงร้อย kHz ที่ป้อนให้กับหม้อแปลงแยกความถี่สูง เมื่อเทียบกับความถี่ของเส้น ความถี่ในการทำงานจะเพิ่มขึ้นหลายพันเท่า ดังนั้นปริมาตรและน้ำหนักของส่วนประกอบแม่เหล็กความถี่สูงจึงสามารถลดลงได้มากกว่าสิบเท่า

N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bสูงสุด )

k - อัตราส่วนของเวลาสูงสุด-ต่อระยะเวลาการเปลี่ยน โดยทั่วไปคือ k=0.4;

U - แรงดันไฟฟ้าขาเข้าของขดลวดปฐมภูมิ (V) ประมาณเท่ากับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า DC;

f - ความถี่การทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า (kHz);

Ae - พื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพ-ของแกนแม่เหล็ก (cm²);

Bmax - การแกว่งสูงสุดที่อนุญาตของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (G)

ข้อเสียเปรียบโดยธรรมชาติ

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ปริมาณมากนำมาซึ่งความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์สูงและต้นทุนที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับหม้อแปลงทั่วไป การสลับความถี่สูงทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ซึ่งกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับโครงร่าง PCB การออกแบบส่วนประกอบแม่เหล็ก และการจัดการระบายความร้อน ดังนั้น SST จะไม่แทนที่หม้อแปลงความถี่สายโดยสมบูรณ์ และส่วนใหญ่จะนำไปใช้ในสถานการณ์ระบบไฟฟ้าใหม่ที่ต้องการพื้นที่ขนาดกะทัดรัด การไหลของพลังงานแบบสองทิศทาง อินเทอร์เฟซ DC และการควบคุมคุณภาพพลังงานที่ใช้งานอยู่