Funktionsprinzip des modularen Halbleitertransformator-Submoduls

Ein Halbleitertransformator (SST), auch leistungselektronischer Transformator genannt, unterscheidet sich von herkömmlichen Netzfrequenztransformatoren, die mit 50-Hz-Magnetfeldern arbeiten. Es handelt sich um ein steuerbares Leistungsumwandlungsgerät, das aus leistungselektronischen Wandlern und Hochfrequenztransformatoren besteht. Herkömmliche Netzfrequenztransformatoren wandeln die Spannung nur passiv entsprechend dem Windungsverhältnis um. Zusätzlich zur galvanischen Trennung und Spannungsumwandlung bieten SSTs digital gesteuerte Funktionen, einschließlich bidirektionalem Leistungsfluss, Spannungsregelung, Oberwellenunterdrückung und Blindleistungskompensation, und dienen als Stromrouter in intelligenten Netzen.

Board-Setup

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Untermodul Gesamtarchitektur

Jedes Submodul besteht aus zwei Haupthardwareabschnitten: einer AC-DC-Hochspannungswandlungseinheit und einer hochfrequenzisolierten DAB-DC-DC-Einheit. Für Mittelspannungsnetzanwendungen wie 10-kV-Systeme werden mehrere Submodule an ihren Enden in Reihe geschaltetAC-seitige Klemmenum die gesamte Netzspannung zu teilen. Jedes Submodul verfügt über einen unabhängigen DC-Zwischenkreis, der von den anderen Modulen galvanisch getrennt ist und keine DC-Spannungsstapelung aufweist. Alle Niederspannungs-Gleichstromausgänge der DAB-Wandler sind parallel geschaltet, um einen einheitlichen Niederspannungs-Gleichstrombus zu bilden.

Blockdiagramm

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Stufe 1: Bidirektionale H-Brücken-AC-DC-Umwandlung

Die eingangsseitige einphasige H-Brücke besteht aus vier SiC-Leistungsschaltern, Boost-Induktivitäten und Zwischenkreiskondensatoren und implementiert eine bidirektionale Boost-PFC-Topologie, die mit einer Schaltfrequenz im Kilohertz-Bereich arbeitet. Es unterstützt sowohl Gleichrichtung als auch umgekehrte netzgebundene Umkehrung.

Im Gleichrichtungsmodus empfängt das Submodul geteilte Netzfrequenz-Wechselspannung. Die Hochgeschwindigkeits-PWM-Schaltung von H-Brückenschaltern arbeitet mit Boost-Induktivitäten zusammen, um Magnetfeldenergie zu speichern und abzugeben und netzfrequenten Wechselstrom in stabilisierte Zwischenkreisspannung umzuwandeln. In dieser Stufe wird auch eine Leistungsfaktorkorrektur durchgeführt, wodurch ein sinusförmiger netzseitiger Strom und eine Unterdrückung von Oberschwingungen gewährleistet werden. Es ist zu beachten, dass die Zwischenkreisspannung den Spitzenwert der Eingangswechselspannung überschreiten muss, um die Bedingungen des Boost-Betriebs zu erfüllen.

Im Rückwärtsleistungsbetrieb arbeitet die H-Brücke als Wechselrichter. Es wandelt die im Zwischen-Gleichstromzwischenkreis gespeicherte Energie wieder in netzfrequenten Wechselstrom um, der in das Versorgungsnetz eingespeist wird. Auch für die Regulierung der Netzstromqualität ist eine Blindleistungsabgabe möglich.

AC-DC-Umwandlung

Stufe 2: DAB Dual-Active-Bridge Hochfrequenz-isolierte DC-DC-Umwandlung

Als Isolationskern des Submoduls besteht das DAB aus einer primärseitigen Vollbrücke, einem Hochfrequenztransformator und einer sekundärseitigen Vollbrücke. Es arbeitet mit Hunderten von Kilohertz und verfügt über eine native bidirektionale Leistungsfähigkeit.

Primärseitige Vollbrückeninversion: SiC-Schalter ziehen Energie aus dem Zwischen-DC-Zwischenkreis der H-Brücke und zerlegen die Gleichspannung in hochfrequente AC-Rechteckwellen, deren Amplitude der DC-Zwischenkreisspannung entspricht, und speisen die Primärwicklung des Hochfrequenztransformators. Transformatoren können keinen Gleichstrom leiten; Nur eine rechteckige Wechselspannung erzeugt magnetische Wechselfelder im Kern zur Energieübertragung. Der Hochfrequenzbetrieb ermöglicht kleinere Transformatorkerne und ermöglicht Nullspannungsschalten (ZVS), um Schaltverluste zu reduzieren.

Hochfrequenztransformator zur Spannungstransformation und galvanischen Trennung: Der von hochfrequenten Rechteckwellen gespeiste Transformator ändert die Spannungsamplitude entsprechend seinem Wicklungswindungsverhältnis und sorgt für eine vollständige galvanische Trennung zwischen Hochspannungs-Primär- und Niederspannungs-Sekundärbereich.Das Spannungsumwandlungsverhältnis wird durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators und nicht durch die Phasenverschiebungssteuerung bestimmt. Die intrinsische Streuinduktivität des Transformators wird als Reihenleistungsübertragungsinduktivität für den DAB genutzt.

Sekundärseitige aktive Vollbrückengleichrichtung: Die sekundärseitige Vollbrücke verarbeitet die vom Transformator gelieferte hochfrequente Rechteckspannung. Im Gegensatz zur passiven Diodengleichrichtung steuert die aktive Vollbrücke die SiC-Schaltzeiten präzise. Unabhängig davon, ob sich die Rechteckwelle im positiven oder negativen Halbzyklus befindet, wird Wechselstromenergie in Ladestrom für Ausgangskondensatoren umgewandelt. Ausgangskondensatoren filtern hochfrequente Wellen und erzeugen einen gleichmäßigen Niederspannungs-Gleichstromausgang.

Für den umgekehrten Stromfluss fungiert die sekundärseitige Vollbrücke als Wechselrichter und zerlegt Niederspannungs-Gleichstrom zurück in hochfrequente Rechteckwellen, die an die Sekundärseite des Transformators gesendet werden. Die Energie wird durch den Transformator verstärkt und dann durch die primärseitige Vollbrücke in Zwischengleichspannung umgewandelt.

Das DAB übernimmt die Single-Phase-Shift-Steuerung (SPS). Sowohl primär- als auch sekundärseitige Vollbrücken erzeugen Rechteckwellenformen mit einem Tastverhältnis von 50 %. Der Controller passt die Phasenwinkeldifferenz zwischen den beiden Wellenformsätzen an. Die Größe der Phasenverschiebung steuert die Größe der übertragenen Leistung und die Polarität der Phasenverschiebung bestimmt die Richtung des Leistungsflusses.Die Phasenverschiebung regelt nur die Leistung, sie kann jedoch keine weitreichende Anpassung der Ausgangsspannung im stationären Zustand erreichen. Wenn die Ausgangsspannung weit vom Nennbetriebspunkt entfernt wird, der dem Windungsverhältnis entspricht, geht die ZVS-Bedingung verloren, es entsteht ein hoher Umlaufstrom und es kommt zu einer starken Überhitzung des Geräts. Um die Nennausgangsspannung zu ändern, muss das Windungsverhältnis des Hochfrequenztransformators neu gestaltet werden.

TUPFEN

Systemskalierung und technische Einschränkungen

In Mittelspannungs-Hochleistungsanwendungen wird die Spannungs- und Leistungsskalierung durch mehrere Submodule mit in Reihe geschalteten AC-Eingängen und parallel geschalteten DC-Ausgängen realisiert. Die gemeinsame Niederspannungsbusspannung parallel geschalteter Submodule wird durch das Windungsverhältnis des DAB-Transformators festgelegt. Wenn die Zielausgangsspannung von der intrinsischen DAB-Ausgangsspannung abweicht, gibt es zwei praktische Lösungen:

Behalten Sie die Originalhardware bei und fügen Sie einen zusätzlichen nicht isolierten DC-DC-Wandler für die Abwärtsregelung nach der Regulierung hinzu;

Entwerfen Sie den Hochfrequenztransformator neu, überprüfen Sie die Komponentenbelastung erneut und stimmen Sie die Steueralgorithmen für eine tiefgreifende DAB-Modifikation neu ab.

Warum SST eine kompakte Größe erreicht

Herkömmliche Verteiltransformatoren arbeiten mit einer Netzfrequenz von 50 Hz und erfordern eine große Magnetkernquerschnittsfläche, um Nennleistung zu liefern. Nach elektromagnetischen Prinzipien:Bei einer gegebenen Nennleistung verringert eine höhere Betriebsfrequenz das erforderliche Kernvolumen und -gewicht.

Anstatt den Trenntransformator direkt mit 50-Hz-Netzspannung anzutreiben, wandelt die SST-Leistungselektronik Netzfrequenzstrom in eine hochfrequente Rechteckwellenspannung mit Hunderten kHz um, die den Hochfrequenz-Trenntransformator speist. Im Vergleich zur Netzfrequenz erhöht sich die Betriebsfrequenz um das Tausendfache, sodass Volumen und Gewicht hochfrequenter magnetischer Komponenten um mehr als das Zehnfache reduziert werden können.

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

k - Verhältnis der maximalen Einschaltzeit-zur Schaltperiode, typischerweise k=0.4;

U - Eingangsspannung der Primärwicklung (V), ungefähr gleich der DC-Eingangsspannung;

f - Betriebsfrequenz des Transformators (kHz);

Ae - Effektive Querschnittsfläche-des Magnetkerns (cm²);

Bmax - Maximal zulässige Schwankung der magnetischen Flussdichte (G).

Inhärente Nachteile

Halbleiterbauelemente in großen Stückzahlen bringen im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren eine hohe Hardwarekomplexität und höhere Kosten mit sich. Hochfrequenzschaltungen erzeugen elektromagnetische Störungen (EMI) und stellen strenge Anforderungen an das PCB-Layout, das Design magnetischer Komponenten und das Wärmemanagement. Daher wird SST Netzfrequenztransformatoren nicht vollständig ersetzen und wird hauptsächlich in neuen Energiesystemszenarien eingesetzt, die eine kompakte Grundfläche, einen bidirektionalen Leistungsfluss, Gleichstromschnittstellen und eine aktive Leistungsqualitätskontrolle erfordern.