무접점 변압기 토폴로지 선택: 2레벨 대 3레벨, DAB 대 LLC

무접점 변압기를 반도체 스위치로 재구성한 기존 변압기로 취급해서는 안 됩니다. 이러한 해석은 너무 좁으며 종종 잘못된 토폴로지, 구성 요소 및 검증 우선 순위로 이어집니다.

기본 전압 강압 및 절연 기능의 경우 기존 라인 주파수 변압기를 교체하기가 여전히 어렵습니다. 효율적이고 내구성이 뛰어나며 상대적으로 경제적이며 현장 직원에게 친숙합니다. 무접점 변압기의 엔지니어링 가치는 제어 가능한 하나의 전력-전자 인터페이스 내에서 여러 기능을 결합해야 할 때 더욱 명확해집니다.

이러한 기능에는 전압 변환, 갈바닉 절연, AC/DC 변환, 절연된 DC/DC 변환, 제어된 전력 흐름, 액세스 가능한 DC 포트 및 전력 품질 관리가 포함될 수 있습니다. 이러한 요구 사항을 함께 고려하면 토폴로지 선택은 개별 변환기 회로 간의 비교가 아닌 시스템 수준 설계 결정이 됩니다.

실제 개발 순서는 다음과 같습니다.

토폴로지 선택 → 매개변수 설계 → 엔지니어링 검증

이러한 단계는 상호의존적입니다. 회로 분석 중에 적합해 보이는 토폴로지는 자기 설계, 반도체 응력 계산, 경부하 테스트, 절연 평가, 열 분석 또는 오류 작동 검증 후에는 실용적이지 않을 수 있습니다.

고체 변압기란 무엇입니까?

ETH 취리히설명합니다고체 변압기또는 SST는 전기 시스템 간의 갈바닉 절연 전력 전자 인터페이스입니다. 제어된 전력 변환을 사용하여 전압 변환 및 절연을 AC/DC 변환, DC/DC 변환, 전력 흐름 제어, DC 액세스 및 그리드 지원 기능과 같은 기능과 결합합니다. (pes-publications.ee.ethz.ch)

통합 전력 전자 인터페이스로서의 SST

SST의 특징을 정의하는 것은 단순히 스위칭 장치를 사용하는 것이 아닙니다. 주요 가치는 여러 개의 별도 장치나 변환 단계가 필요한 기능을 통합하는 데 있습니다.

SST는 전력 전달의 크기와 방향을 모두 제어하면서 전기적 절연을 제공할 수 있습니다. 중간 DC 링크를 생성하거나, 조정된 DC 출력을 제공하거나, AC 부하와 인터페이스하거나, 그리드 연결에서 전력 품질 기능을 지원할 수 있습니다.

이는 비교 기준을 변경합니다.

기존 변압기는 주로 수동 전압 변환 및 절연 장치로 평가됩니다. SST는 반도체 스위치, 자기 부품, 커패시터, 게이트 드라이버, 제어 루프, 보호 기능, 열 경로 및 절연 구조를 포함하는 완전한 전력 전자 시스템으로 평가되어야 합니다.

따라서 그 적합성은 응용 프로그램에 따라 다릅니다. SST는 능동 제어 기능을 제공한다고 해서 자동으로 우수한 것은 아니며, 기존 변압기는 단순히 전력 전자 기능이 부족하다고 해서 쓸모가 없어지는 것이 아닙니다.

기존 변압기가 기본 강압 응용 분야에서 여전히 강력한 이유

요구 사항이 신뢰할 수 있는 전압 변환 및 갈바닉 절연으로 제한되는 경우 기존 라인-주파수 변압기는 여전히 강력한 엔지니어링 기준을 제공합니다.

관련된 질문은 SST가 모든 범주에서 기존 변압기보다 성능이 뛰어난지 여부가 아닙니다. 이는 애플리케이션이 제어 가능한 변환, DC 액세스, 전력 흐름 관리 및 기능 통합을 통해 추가 시스템 복잡성을 정당화할 만큼 충분히 이점을 누리는지 여부입니다.

SST 아키텍처가 전력 변환 작업을 분할하는 방법

3단계 무접점 변압기 아키텍처

일반적인 SST 아키텍처는 변환 프로세스를 세 가지 주요 단계로 구분합니다.

1. 그리드 측 AC/DC 스테이지

2. 절연된 DC/DC 스테이지

3. 부하측 인버터 또는 조정된 DC 출력단

이것이 가능한 유일한 SST 구성은 아닙니다. 모듈형, 매트릭스 유형, 격리된 프런트엔드, 격리된 백엔드 및 다중 레벨 아키텍처는 이러한 기능을 다르게 구성할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 3단계 모델은 두 가지 주요 토폴로지 결정이 일반적으로 발생하는 위치를 이해하기 위한 실용적인 프레임워크를 제공합니다.

• 그리드 방향 단계에서 2레벨 변환과 3레벨 변환 비교

• 절연 DC/DC 단계에서 DAB 대 LLC 변환

프런트엔드 AC/DC 변환

프런트 엔드 단계는 SST를 AC 시스템에 연결하고 제어된 DC 링크를 설정합니다. 애플리케이션에 따라 제어된 전력 흐름을 관리하고 필요한 전력 품질 기능을 지원할 수도 있습니다.

2레벨 구조와 3레벨 구조 사이의 선택은 다음에 영향을 미칩니다.

• 반도체 전압 스트레스

• 스위칭 노드 전압 단계

• 필터 요구 사항

• 반도체 수

• 게이트 드라이버 요구 사항

• 복잡성 제어

• 보호 시퀀싱

• 시스템 확장성

반도체 수를 줄이는 것이 항상 가장 중요한 목표는 아닙니다. 더 높은 DC 링크 전압에서는 각 장치에 적용되는 차단 전압이 지배적인 제한이 될 수 있습니다.

다중 레벨 토폴로지는 이러한 전압 스트레스를 분산할 수 있지만 추가 스위칭 상태, 커패시터 또는 클램핑 경로 및 균형 요구 사항이 발생합니다. 따라서 토폴로지는 장치 수만으로 평가하기보다는 전체 변환기의 일부로 평가되어야 합니다.

절연형 DC/DC 변환

절연된 DC/DC 스테이지는 전기 도메인 간의 갈바닉 절연을 유지하면서 고주파 또는 중주파 변압기를 통해 전력을 전송합니다.

이 단계는 변압기 설계와 독립적으로 선택할 수 없습니다. 누설 인덕턴스, 자화 인덕턴스, 공진 부품, 스위칭 주파수, 반도체 커패시턴스, 데드 타임 및 변조 전략은 모두 전력 전송 및 소프트 스위칭 동작에 영향을 미칩니다.

DAB와 LLC는 모두 중요한 후보이지만 서로 다른 전력 전송 메커니즘을 사용합니다. 적합성은 다음에 따라 달라집니다.

• 필요한 전력 흐름 방향

• 입력 대 출력 전압 비율

• 필요한 게인 범위

• 예상 로드 프로필

• 소프트 스위칭 범위

• 자기 부품 설계

• 순환 전류 제한

• 제어능력

SST 프런트엔드 스테이지를 위한 2레벨 및 3레벨 변환기 토폴로지

2레벨 컨버터와 3레벨 컨버터를 단지 스위치 수를 세거나 하나의 피크 효율 값을 비교하는 방식으로 비교해서는 안 됩니다.

유용한 비교는 운영 요구 사항부터 시작됩니다.

• DC 링크 전압은 무엇입니까?

• 각 반도체는 어떤 차단 전압을 견뎌야 합니까?

• 어떤 스위칭 노드 전압 단계가 허용됩니까?

• 어떤 필터링이 필요합니까?

• 프로젝트가 얼마나 많은 제어 복잡성을 지원할 수 있습니까?

• 토폴로지에 중성점 또는 커패시터-전압 밸런싱이 필요합니까?

• 비정상적인 스위칭 상태와 오류 조건을 검증할 수 있습니까?

2레벨 변환기의 작동 방식

기존의 2레벨 스위칭 레그는 양극과 음극 DC 링크 레일 사이에서 출력 노드를 정류합니다.

따라서 메인 스위칭 장치는 스위칭 오버슈트, 과도 이벤트, 보호 응답 및 경감에 필요한 마진을 포함하여 관련 전체 DC 링크 전압을 견뎌야 합니다.

2레벨 구조는 3레벨 구현보다 전압 상태가 적고 일반적으로 활성 및 클램핑 장치 수가 적습니다. 이는 다음을 단순화할 수 있습니다.

• 게이트 운전

• 조정

• 보호 논리

• 종료 순서

• PCB 레이아웃

• 결함 분석

단점은 스위칭 노드가 전체 DC 링크 전압 전이를 경험한다는 것입니다. 이 전압 단계는 스위칭 손실, 전자기 스트레스, 공통 모드 동작, 전류 리플 및 방출을 제어하는 ​​데 필요한 필터링에 영향을 미칩니다.

DC 링크 전압이 더 높으면 장치 선택이 제한될 수 있습니다. 충분한 차단 전압을 가진 반도체는 전도 손실, 스위칭 손실, 스위칭 속도 및 열 성능 간에 원하는 균형을 제공하지 못할 수 있습니다.

따라서 2레벨 토폴로지는 본질적으로 열등하지 않습니다. 불필요한 다단계 복잡성을 도입하지 않고 장치 스트레스, 필터링, 스위칭 주파수, 절연 및 열 요구 사항을 충족할 수 있으면 여전히 매력적입니다.

3레벨 NPC 컨버터가 전압 스트레스를 분산하는 방법

3레벨 중성점 고정 컨버터는 분할 DC 링크와 클램핑 경로를 사용하여 3가지 스위칭 노드 전압 레벨을 생성합니다.

• (+V_{dc}/2)

• (0)

• (-V_{dc}/2)

의도한 균형 조건에서 출력 또는 필터에 적용되는 전압 단계는 기존의 2레벨 레그에 비해 줄어들 수 있습니다.

개별 장치는 스위칭 상태, 보호 전략, 전압 균형 및 정확한 NPC 구현에 따라 총 DC 링크 차단 듀티의 약 절반에서 작동할 수도 있습니다.

장치 전압 스트레스가 감소하면 사용 가능한 반도체 옵션이 확장될 수 있습니다. 최종 장치 선택에서는 전도 손실, 스위칭 손실, 과도 마진, 패키지 동작 및 열 제약 조건을 고려해야 합니다.

전압 스트레스 이점에는 추가적인 설계 요구 사항이 수반됩니다. NPC 레그에는 더 많은 반도체 장치와 클램핑 경로가 포함되어 있으며 올바른 작동은 안전한 스위칭 시퀀스와 안정적인 분할 버스 전압에 따라 달라집니다.

650V 장치와 결합된 900V DC 링크는 때때로 다중 레벨 변환의 전압 스트레스 이점을 설명하는 데 사용됩니다. 그러나 토폴로지 ID가 중요합니다.

텍사스 인스트루먼트, TIDA-010957 식별로서3레벨 플라잉 커패시터 컨버터, NPC 변환기가 아닙니다. 이 설계는 최대 900V의 DC 링크 전압을 갖춘 650V GaN 장치의 사용을 보여 주지만 NPC별 참조 설계로 제시되어서는 안 됩니다.

일반적인 엔지니어링 원리는 여전히 유효합니다. 즉, 멀티레벨 컨버터는 스위칭 구조 전체에 전압 스트레스를 분산시킬 수 있습니다. 이 방법은 NPC, 활성 NPC, T형, 비엔나 및 플라잉 커패시터 토폴로지에 따라 다릅니다.

2레벨 대 3레벨 NPC 변환기

3레벨 NPC 토폴로지의 중성점 전압 밸런싱

분할 DC 링크의 중간점은 수동 기준점이 아닌 능동 설계 제약 조건입니다.

스위칭 상태와 전류 방향이 다르면 상부 및 하부 DC 링크 커패시터가 불균등하게 충전 및 방전될 수 있습니다. 전압이 서로 떨어지면 의도한 (+V_{dc}/2), (0) 및 (-V_{dc}/2) 레벨이 더 이상 대칭이 아닙니다.

이러한 불균형은 다음에 영향을 미칠 수 있습니다.

• 반도체 전압 스트레스

• 출력 파형 품질

• 변조 동작

• 보호마진

• 사용 가능한 스위칭 상태

컨트롤러는 중복 스위칭 상태를 선택하거나 변조 시퀀스를 조정하여 중성점 전류에 영향을 미쳐야 할 수도 있습니다.

밸런싱 기능은 부하 방향, 변조 지수, 역률 및 전력 흐름 방향에 따라 변경될 수 있습니다. 시동, 종료, 경부하 작동, 재생 및 오류 복구도 검증이 필요합니다.

따라서 공칭 장치 스트레스가 낮다고 해서 NPC 토폴로지를 자동으로 더 쉽게 구현할 수는 없습니다. 감소된 스위칭 노드 전압 단계는 추가 상태 관리 및 중간점 제어 요구 사항으로 대체됩니다.

NPC 중성점 전압 밸런싱

2단계와 3단계 선택 기준

2레벨 토폴로지는 단순성, 보호의 명확성, 결함 분석 및 제어 성숙도가 프로젝트를 지배할 때 일반적으로 매력적입니다.

3레벨 NPC 토폴로지는 DC 링크 전압, 장치 가용성, 파형 요구 사항 또는 스위칭 성능이 추가 하드웨어 및 중간점 제어를 정당화할 만큼 전압-스트레스 분포의 가치를 높일 때 더욱 매력적입니다.

절연 DC/DC 스테이지의 DAB와 LLC 비교

절연형 DC/DC 토폴로지는 토폴로지 이름이 아닌 전체 작동 범위에 따라 선택해야 합니다.

DAB와 LLC는 모두 고주파 절연을 사용하지만 에너지 전달 메커니즘과 기본 제어 변수가 다릅니다. 이들 선택은 변압기 설계, 전류 스트레스, 전압 이득, 소프트 스위칭 동작, 양방향 작동 및 경부하 성능에 영향을 미칩니다.

DAB 작동 원리 및 엔지니어링 결정 요소

에이듀얼 액티브 브리지또는 DAB는 고주파 변압기의 양쪽에서 능동적으로 전환되는 브리지를 사용합니다.

양쪽 모두 활성 스위칭 브리지를 포함하므로 토폴로지는 자연스럽게 양방향 전력 전송을 제어하는 ​​데 적합합니다.

전력은 일반적으로 브리지 전압 간의 타이밍 관계를 변경하여 조절됩니다. 기본 구현에서는 위상 변이 제어를 통해 이를 달성합니다. 보다 발전된 변조 방법으로 추가적인 타이밍 변수가 발생할 수 있습니다.

변압기 누설 인덕턴스 또는 추가 직렬 인덕턴스는 전력 전달 메커니즘의 일부입니다. 이는 브리지 사이에 흐르는 전류를 형성하고 스위칭 전환 중에 필요한 저장 에너지에 기여합니다.

이는 유연성과 민감성을 모두 창출합니다.

제어된 전력 전송을 가능하게 하는 동일한 인덕턴스는 다음에도 영향을 미칩니다.

• 현재 경사

• 피크 전류

• RMS 전류

• 무효전력

• 순환 에너지

• 제로 전압 스위칭 범위

기본 위상 변이 전략은 상대적으로 직접적일 수 있지만 넓은 전압 비율과 부하 범위에서 최적의 성능을 보장하지는 않습니다. 추가 변조 변수는 전류 스트레스를 줄이거나 소프트 스위칭 영역을 확장할 수 있지만 제어 및 교정 복잡성도 증가시킵니다.

주요 DAB 선택 요소는 다음과 같습니다.

• 양방향 전력 흐름이 필요한지 여부

• 예상되는 전압비

• 필요한 전력 범위

• 허용 가능한 순환 전류

• 필요한 소프트 스위칭 범위

• 사용 가능한 제어 기능

• 변압기 누설 인덕턴스 목표

• 시작, 반전 및 오류 응답 요구 사항

LLC 운영 원리 및 엔지니어링 결정 요소

안LLC 공진 변환기세 가지 주요 공진 요소로 정의됩니다.

• 공진 인덕턴스(L_r)

• 변압기 자화 인덕턴스(L_m)

• 공진 용량(C_r)

공진 인덕턴스의 일부 또는 전부는 변압기 누설 인덕턴스를 통해 구현될 수 있다. 자화 인덕턴스는 변압기 자기 구조에 속하지만 공진 커패시터는 일반적으로 외부에 있습니다.

전압 이득은 주로 네트워크의 공진 주파수를 기준으로 스위칭 주파수를 변경하여 제어됩니다.

공진 탱크가 의도한 대로 설계되면 컨버터는 유리한 스위칭 조건을 제공할 수 있습니다.

• 입력 전압 범위

• 출력 전압

• 부하 범위

• 스위칭 주파수 창

• 이득 요구 사항

필요한 변환 범위가 너무 넓어지면 LLC 변환기는 선호하는 공진 영역에서 멀리 떨어져 작동해야 할 수도 있습니다. 이는 순환 전류를 증가시키고, 스위칭 주파수 범위를 확장하고, 자기 설계를 복잡하게 하거나, 사용 가능한 소프트 스위칭 마진을 감소시킬 수 있습니다.

따라서 LLC 컨버터가 제로 전압 스위칭을 제공한다는 설명을 무조건적으로 해석해서는 안 됩니다.

실제 소프트 스위칭 경계는 다음에 따라 달라집니다.

• 짐

• 공진 탱크 매개변수

• 자화 전류

• 데드타임

• 장치 용량

• 필요한 전압 이득

• 스위칭 주파수

기존 LLC 스테이지는 2차측에서 수동 정류를 사용할 수도 있습니다. 이러한 배열은 양쪽에 활성 브리지를 포함하는 DAB와 동일한 양방향 기능을 제공한다고 가정해서는 안 됩니다.

DAB 및 LLC 절연형 DC/DC 토폴로지

DAB 대 LLC 선택 기준

DAB는 일반적으로 제어된 양방향 전력 전송이 기본 요구 사항인 경우 더 직접적인 옵션입니다.

LLC는 작동 범위가 명확하게 정의되고 공진 탱크가 대부분의 듀티 사이클 동안 유리한 조건에 가깝게 유지될 수 있을 때 매력적일 수 있습니다.

결정은 단일 피크 효율 결과를 기반으로 해서는 안 됩니다. 의미 있는 비교를 위해서는 등가 전압 비율, 전력 레벨, 반도체 기술, 자기 제약, 냉각 조건, 스위칭 주파수 및 로드 포인트가 필요합니다.

SST 설계는 자기, 소프트 스위칭 및 반도체 매개변수를 조정해야 합니다.

결합된 SST 설계 매개변수

자기 구성요소, 소프트 스위칭 조건 및 반도체 매개변수를 별도의 작업 패키지로 계산해서는 안 됩니다.

각 설계 영역은 다른 설계 영역의 작동 조건을 변경합니다.

크기에만 최적화된 변압기는 과도한 누출 또는 순환 전류를 생성할 수 있습니다. 낮은 전도 손실만을 위해 선택된 반도체에는 자기 회로가 제공할 수 없는 스위칭 조건이 필요할 수 있습니다. 실제 기생 네트워크가 모델과 다르기 때문에 이론적으로 유효한 소프트 스위칭 조건이 프로토타입에서는 실패할 수 있습니다.

자기 매개변수가 스위칭 조건에 영향을 미치는 이유

DAB에서 전송 인덕턴스는 다음에 영향을 미칩니다.

• 전달된 전력

• 현재 경사

• 피크 전류

• RMS 전류

• 무효 에너지

• 스위칭 전환에 사용 가능한 에너지

인덕턴스가 너무 작으면 전류 스트레스가 급격히 증가할 수 있습니다. 너무 크면 전력 전달 능력이나 동적 응답이 제한될 수 있습니다.

올바른 값은 전압 비율, 스위칭 주파수, 변조 방법, 전력 레벨 및 반도체 동작에 따라 달라집니다.

LLC 컨버터에서는 (L_r), (L_m), (C_r)이 이득 곡선과 공진 주파수를 정의합니다. 또한 순환 전류, 자화 전류, 스위칭 주파수 범위 및 소프트 스위칭 경계에도 영향을 미칩니다.

절연 또는 열 성능을 개선하기 위한 변압기 개조로 인해 누설 및 자화 인덕턴스가 변경될 수 있습니다. 이로 인해 컨버터가 의도된 작동 영역에서 멀어질 수 있습니다.

따라서 자기 설계에서는 코어 크기와 구리 손실 이상의 것을 고려해야 합니다. 또한 다음 사항도 다루어야 합니다.

• 기능적 누설 또는 공진 인덕턴스

• 자화 인덕턴스

• 기생 용량

• 절연거리

• 유전체 구조

• 권선 배열

• 주파수에 따른 권선 손실

• 코어 손실

• 열 경로

• 부분 방전 동작

장치 선택을 레이아웃 및 열 설계와 분리할 수 없는 이유

반도체 데이터시트는 완전한 스위칭 환경을 나타내지 않습니다.

장치 출력 커패시턴스는 제로 전압 스위칭에 필요한 에너지에 영향을 미칩니다. 게이트 전하 및 내부 게이트 저항은 드라이버 요구 사항에 영향을 미칩니다. 패키지 인덕턴스와 PCB 상호 연결은 오버슈트, 링잉 및 스위칭 속도에 영향을 미칩니다.

데드타임은 스위칭 전환을 완료하기 위해 사용 가능한 전류와 조정되어야 합니다. 게이트 저항은 스위칭 속도를 변경하지만 손실 및 오버슈트에도 영향을 미칩니다.

게이트 드라이버 공급 장치, 절연 장벽, 보호 응답 및 공통 모드 동작은 선택한 반도체 기술과 호환되어야 합니다.

그런 다음 스위칭 주파수는 자기 크기, 반도체 손실, 냉각 요구 사항 및 절연 응력으로 다시 피드백됩니다.

주파수를 높이면 자기 부피가 줄어들 수 있지만 다음과 같은 경우도 증가할 수 있습니다.

• 스위칭 손실

• 권선손실

• 유전 손실

• 열 농도

• 기생 성분에 대한 민감도

따라서 전기, 자기, 열, 절연, 제어 및 레이아웃 결정은 하나의 조정된 설계 문제로 해결되어야 합니다.

고전압 SST 프로젝트에 대한 5가지 엔지니어링 검증 요구 사항

고전압 및 모듈형 SST 개발에서는 다음과 같은 5가지 요구 사항에 조기 관심을 기울여야 합니다.

1. 자기 부품, 소프트 스위칭 및 반도체 매개변수를 독립적으로 계산하지 마십시오.

2. 경부하 작동을 별도로 검증하십시오.

3. 전체 프로토타입을 조립하기 전에 부분 방전 테스트를 수행하십시오.

4. 게이트 루프 기생 인덕턴스를 지정된 프로젝트 목표보다 낮게 유지하십시오.

5. 다중 모듈 시스템을 구축하기 전에 우회 전략을 정의하십시오.

이러한 요구 사항은 라벨이 붙은 SST 프로젝트와 연관되어 있습니다.≥3kV. 관련 전압 위치와 AC 또는 DC 기준이 정의되지 않으면 전압 라벨은 불완전합니다.

5가지 고전압 SST 엔지니어링 검증 요구 사항

경부하 작동을 별도로 검증

정격 부하 성능은 경부하 성능을 확립하지 않습니다.

DAB에서 제로 전압 스위칭은 전송 인덕턴스에 저장된 에너지에 부분적으로 의존합니다. 전달된 전력이 낮으면 사용 가능한 전류가 스위칭 간격 동안 반도체 커패시턴스를 충전 및 방전하기에 충분하지 않을 수 있습니다.

따라서 컨버터는 정격 부하 파형이 만족스러운 경우에도 소프트 스위칭을 잃을 수 있습니다.

보조 소비는 또한 경부하에서 입력 전력의 더 큰 부분을 나타냅니다. 게이트 드라이버, 제어 전자 장치, 감지, 냉각 및 사전 충전 회로는 정격 전력에서는 덜 중요한 손실을 지배할 수 있습니다.

LLC 단계에서는 다른 제한 사항이 발생할 수 있습니다. 경부하에서 조정을 유지하려면 스위칭 주파수를 크게 변경하거나 전용 경부하 작동 모드가 필요할 수 있습니다.

경부하 검증에서는 다음을 검사해야 합니다.

• 스위칭 노드 파형

• 제로 전압 스위칭 마진

• RMS 및 순환 전류

• 제어 루프 안정성

• 보조 전력 소비

• 출력 조절

• 열 분포

고정된 부하 비율은 경부하의 보편적인 정의로 간주되어서는 안 됩니다. 테스트 포인트는 실제 애플리케이션 듀티 사이클을 반영해야 합니다.

전체 프로토타입을 조립하기 전에 부분 방전 테스트 수행

절연 구조가 전체 기계 조립체에 고정되기 전에 부분 방전 위험을 평가해야 합니다.

조기 테스트를 통해 다음과 같은 약점을 드러낼 수 있습니다.

• 변압기 권선

• 층간 단열

• 포팅 재료

• 터미널

• 버스 구조

• 커넥터

• 전계 집중 영역

최종 조립 전에 이러한 문제를 찾으면 결함 위치를 찾고 단열재 형상을 수정하는 것이 더 쉬워집니다.

IEC 60270:2025부분 방전 용어, 수량, 측정 주파수, 테스트 회로, 교정, 측정 방법 및 간섭 처리에 대한 일반적인 충전 기반 프레임워크를 정의합니다. 이는 지정된 AC 또는 DC 테스트 조건에서 전기 장치, 구성 요소 및 시스템의 충전 기반 부분 방전 측정에 적용됩니다. (IEC 웹스토어)

IEC 60270은 하나의 보편적인 SST 허용 한계를 설정하지 않으며 모든 테스트가 프로토타입 조립 전에 수행되어야 한다고 명시하지도 않습니다.

필요한 테스트 전압, 부분 방전 개시 전압, 소멸 전압, 겉보기 충전 한계, 기간 및 허용 기준은 해당 장비 요구 사항, 절연 조정, 제품 표준 또는 고객 사양에 따라 결정되어야 합니다.

조기 부분 방전 테스트는 최종 시스템 검증을 대체하는 것이 아니라 엔지니어링 순서 측정입니다.

게이트 루프 기생 인덕턴스를 10nH 미만으로 유지

여기에서 고려되는 고속 스위칭 설계의 경우 게이트 루프 기생 인덕턴스가 아래로 유지되어야 합니다.10nH.

이 목표는 보편적인 SST 규칙이 아닌 프로젝트별 제한으로 처리되어야 합니다. 적절한 값은 다음에 따라 달라집니다.

• 반도체 기술

• 장치 패키지

• 드라이버 배치

• 스위칭 속도

• 게이트 저항

• 켈빈 소스 구현

• 측정 또는 추출 경계

게이트 루프 인덕턴스는 켜기 및 끄기 동작에 영향을 미칩니다. 과도한 인덕턴스는 다음과 같은 원인이 될 수 있습니다.

• 게이트 전압 오버슈트

• 게이트 전압 언더슈트

• 진동

• 지연된 전환

• 기생 턴온

• 스위칭 손실 증가

• 장치 과부하

• 보호 효과 감소

게이트 드라이버는 반도체 장치 가까이에 배치해야 합니다. 드라이버 출력에서 ​​게이트까지 그리고 드라이버 리턴으로 돌아가는 경로는 짧고 간결해야 합니다.

가능한 경우 켈빈 소스 또는 켈빈 이미터 연결은 게이트 드라이브 리턴을 주 전원 전류 경로에서 분리해야 합니다.

최종 인덕턴스는 회로도만으로 추론하기보다는 실제 레이아웃에서 확인해야 합니다.

모듈형 SST를 구축하기 전에 우회 전략 정의

모듈성은 내결함성을 자동으로 제공하지 않습니다.

다중 셀 SST는 아키텍처가 해당 조건에 맞게 설계된 경우에만 모듈 오류 후에도 계속 작동할 수 있습니다.

시스템에는 다음이 필요할 수 있습니다.

• 중복 전압 기능

• 물리적 우회 경로

• 결함 감지

• 결함 격리

• 제어 재구성

• 전압 재분배

• 정의된 저하된 작동 모드

이러한 기능은 별도로 처리해야 합니다.

결함 감지비정상적인 모듈을 식별합니다.
결함 격리결함이 전파되는 것을 방지합니다.
물리적 우회대체 전류 경로를 생성합니다.
제어 재구성나머지 모듈에 적용되는 명령을 변경합니다.
전압 재분배건강한 모듈이 과도한 스트레스를 받는 것을 방지합니다.
성능 저하된 작동남은 허용 전력 수준을 정의합니다.

나머지 모듈에 충분한 전압 마진이 없는 바이패스 스위치는 내결함성 시스템을 생성하지 않습니다.

마찬가지로 검증된 감지, 격리 및 제어 순서가 없는 중복 모듈은 실제 시스템 가용성을 향상시키지 못할 수 있습니다.

따라서 바이패스 전략은 모듈 정격, 절연 구조, 제어 계층 구조 및 보호 하드웨어가 마무리되기 전에 수립되어야 합니다.

≥3kV 경계의 의미 정의

참조된 전압이 식별되지 않으면 "≥3kV SST 프로젝트에 적용 가능"이라는 문구는 불완전합니다.

다음을 참조할 수 있습니다.

• AC 입력 선간 전압

• AC 선간 전압

• DC 링크 전압

• 출력 전압

• 개별 모듈 전압

• 절연 시험 전압

• 전체 시스템 등급

이 값은 서로 바꿔 사용할 수 없습니다.

3kV DC 링크와 3kV AC 시스템은 동일한 반도체, 절연, 접지 또는 테스트 요구 사항을 생성하지 않습니다.

계단식 아키텍처에서는 시스템 전압을 여러 모듈로 나눌 수도 있으므로 모듈 수준의 전기적 스트레스가 단자 전압과 매우 다를 수 있습니다.

5가지 엔지니어링 요구 사항은 여전히 ​​관련이 있지만 ≥3kV 라벨은 전기 기준이 정의될 때까지 공식 전압 분류 또는 필수 테스트 임계값으로 변환되어서는 안 됩니다.

실용적인 SST 토폴로지 선택 워크플로

SST 개발은 반복적인 프로세스로 처리되어야 합니다.

초기 토폴로지는 설계 공간을 정의하지만 매개변수 계산 및 검증 결과에 따라 토폴로지 또는 작동 범위를 수정해야 할 수도 있습니다.

1단계: 토폴로지를 선택하기 전에 시스템 기능 정의

첫 번째 작업은 SST가 수행해야 하는 작업을 결정하는 것입니다.

요구사항은 다음을 정의해야 합니다.

• 입력 및 출력 전압 도메인

• AC 및 DC 인터페이스

• 갈바닉 절연 요구 사항

• 전력 흐름 방향

• 연속 및 피크 전력

• 예상 로드 프로필

• 필수 DC 포트

• 전력 품질 기능

• 중복성 및 오류 작동 요구 사항

• 냉각 및 설치 제약

• 절연 및 부분 방전 요구 사항

• 유지보수 능력

이러한 기능이 명확한 후에만 변환기 토폴로지를 선택해야 합니다.

제어된 역방향 전력 흐름이 필요한 시스템은 단방향 조정 공급 장치와 동일한 방식으로 평가하면 안 됩니다. 모듈식 중전압 인터페이스에는 단일 저전압 컨버터와는 다른 결정 프로세스도 필요합니다.

2단계: 전기, 자기, 열 및 제어 매개변수를 함께 설계

선택한 토폴로지는 반도체 스트레스, 스위칭 주파수, 변압기 매개변수, 공진 또는 전달 인덕턴스, 제어 변수 및 열 제한 간의 관계를 설정합니다.

매개변수 디자인은 조정된 루프를 따라야 합니다.

1. 전기적 스트레스와 작동 범위를 정의합니다.

2. 후보 반도체 기술 및 전압 등급을 선택합니다.

3. 가능한 스위칭 주파수와 변조 방법을 설정합니다.

4. 변압기와 기능적 인덕턴스를 설계합니다.

5. 현재 스트레스와 소프트 스위칭 경계를 다시 계산합니다.

6. 반도체 및 자기 손실을 추정합니다.

7. 열적 타당성을 확인하십시오.

8. 단열재 및 레이아웃 제약 조건을 검토합니다.

9. 전기적, 물리적 설계가 일관될 때까지 반복합니다.

최종 결과는 하나의 정격 작동 지점이 아닌 작동 맵을 설명해야 합니다.

3단계: 부하 범위, 절연, 스위칭 루프 및 오류 작동 검증

엔지니어링 검증은 공칭 전력 및 최대 효율 이상의 내용을 다루어야 합니다.

테스트 프로그램에는 다음이 포함되어야 합니다.

• 정격 및 비공칭 전압 조건

• 완전 부하 작동

• 경부하 작동

• 해당되는 경우 전력 흐름 역전

• 시작 및 종료

• 절연 거동

• 스위칭 루프 역학

• 열 한계

• 모듈식 바이패스 작동

성공적인 정격 부하 테스트는 하나의 작동 조건이 달성되었음을 증명합니다.

검증 결과 부적절한 소프트 스위칭 마진, 과도한 전류 스트레스, 중간점 드리프트, 절연 취약성, 열 집중 또는 결함 복구 문제가 밝혀지면 설계는 매개변수 또는 토폴로지 단계로 돌아가야 합니다.

반복적인 SST 개발 워크플로

일반적인 SST 토폴로지 선택 실수

SST를 기존 변압기의 전자 버전으로 취급

이 접근 방식은 SST를 사용하는 주요 이유인 제어된 변환, 절연, DC 액세스 및 전력 품질 기능의 통합을 무시합니다.

패시브 전압 강압 및 절연만 필요한 경우에는 기존 변압기가 더 강력한 엔지니어링 솔루션으로 남아 있을 수 있습니다.

중립점 제어를 계획하지 않고 3레벨 토폴로지 선택

공칭 반도체 스트레스가 낮다고 해서 시스템 복잡성이 제거되는 것은 아닙니다.

NPC 설계에서는 분할 버스 전압, 중복 스위칭 상태, 시작, 종료, 비정상 조건 및 보호 순서를 관리해야 합니다.

중립점 동작은 처음부터 제어 및 검증 사양에 포함되어야 합니다.

단일 효율 번호에서 DAB 또는 LLC 선택

효율성 데이터는 작동 조건이 비교 가능한 경우에만 의미가 있습니다.

전압 비율, 전력 레벨, 반도체 기술, 변압기 설계, 변조, 스위칭 주파수, 냉각 및 로드 포인트 모두가 결과를 바꿀 수 있습니다.

피크 효율 값은 전체 작동 범위를 설명하지 않습니다.

정격 부하 테스트가 검증 프로세스를 완료한다고 가정

정격 부하 전력 변환이 정상적으로 나타나는 경우에도 경부하 스위칭, 절연 동작, 게이트 루프 역학, 열 분포 및 모듈식 오류 처리가 실패할 수 있습니다.

검증 계획에는 시스템의 실제 작동 조건과 신뢰할 수 있는 오류 상태가 반영되어야 합니다.

결론: SST 아키텍처를 완전한 시스템으로 선택

무접점 변압기는 애플리케이션에 수동 전압 변환 이상이 필요할 때 유용합니다.

엔지니어링 사례는 절연, AC/DC 변환, DC/DC 변환, 제어된 전력 흐름, DC 포트 및 전력 품질 기능을 기반으로 합니다.

또한 이러한 통합으로 인해 토폴로지 선택이 더욱 까다로워졌습니다.

2레벨 프런트 엔드는 반도체 스트레스와 필터링을 관리할 수 있을 때 가장 직접적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.

3레벨 NPC 구조는 전압 스트레스 분포를 개선하고 스위칭 노드 전압 단계를 줄일 수 있지만 추가 장치, 스위칭 상태 및 중성점 제어 요구 사항이 발생합니다.

DAB 절연 스테이지는 제어된 양방향 전력 전송에 매우 적합하지만 전류 스트레스와 소프트 스위칭 범위는 인덕턴스, 전압 비율, 부하 및 변조에 따라 달라집니다.

LLC 스테이지는 정의된 이득 범위 내에서 유리한 공진 작동을 제공할 수 있지만 주파수 범위와 소프트 스위칭 동작은 실제 듀티 사이클 전반에 걸쳐 검증되어야 합니다.

토폴로지 결정은 자기 설계, 반도체 스트레스 맵, 열 제한, 절연 구조, 제어 범위, 경부하 동작 및 오류 작동 전략이 함께 검증될 때까지 불완전합니다.

자주 묻는 질문

무접점 변압기와 기존 변압기의 주요 차이점은 무엇입니까?

기존 변압기는 주로 수동 전압 변환 및 갈바닉 절연을 제공합니다.

SST는 절연을 능동적으로 제어되는 AC/DC 및 DC/DC 변환, 전력 흐름 제어, DC 액세스 및 잠재적인 전력 품질 기능과 결합합니다. SST는 더 광범위한 시스템 기능을 제공하는 반면 기존 변압기는 간단하고 안정적인 전압 변환에 있어 높은 경쟁력을 유지합니다.

SST는 언제 2레벨 또는 3레벨 변환기 토폴로지를 사용해야 합니까?

2레벨 토폴로지는 추가적인 다중 레벨 복잡성 없이 DC 링크 전압, 장치 정격, 스위칭 성능 및 필터링 요구 사항을 관리할 수 있는 경우에 적합합니다.

3레벨 토폴로지는 반도체 전압 스트레스를 분산하거나 스위칭 노드 전압 단계를 줄이는 것이 추가 장치, 스위칭 상태 및 전압 밸런싱 요구 사항을 정당화할 만큼 충분한 이점을 제공할 때 매력적입니다.

3레벨 NPC 컨버터에서 중성점 전압 밸런싱이 중요한 이유는 무엇입니까?

NPC 변환기는 분할 DC 링크를 사용하여 (+V_{dc}/2), (0) 및 (-V_{dc}/2) 스위칭 레벨을 생성합니다.

상부 및 하부 DC 링크 커패시터의 불균등한 충전은 중간점 전압을 이동시키고 의도된 스위칭 레벨을 왜곡하며 반도체 스트레스를 변경할 수 있습니다. 로딩, 변조, 시작, 종료 및 전력 흐름 방향은 모두 균형에 영향을 미칠 수 있습니다.

SST의 절연 DC/DC 단계에는 DAB 또는 LLC가 더 좋습니까?

어느 토폴로지도 보편적으로 더 나은 것은 아닙니다.

DAB는 일반적으로 활성 양방향 전력 흐름이 필수적인 경우 더 직접적입니다. LLC는 게인 범위가 잘 제어되고 공진 탱크가 유리한 작동 조건에 가깝게 유지될 수 있을 때 매력적일 수 있습니다.

선택 시에는 전압 비율, 부하 범위, 소프트 스위칭 경계, 순환 전류, 자기 설계 및 제어 복잡성을 고려해야 합니다.

SST 경부하 성능을 별도로 테스트해야 하는 이유는 무엇입니까?

소프트 스위칭 조건과 조정 동작은 저전력에서 크게 바뀔 수 있습니다.

DAB에는 더 이상 제로 전압 스위칭을 유지하기에 충분한 유도 에너지가 없을 수 있습니다. LLC에는 더 큰 스위칭 주파수 변경이나 전용 경부하 모드가 필요할 수 있습니다.

보조 소비도 전체 손실에서 더 큰 비중을 차지하므로 정격 부하 결과는 경부하 효율이나 안정성을 예측할 수 없습니다.

고전압 SST 프로토타입을 조립하기 전에 무엇을 검증해야 합니까?

설계 팀은 결합된 자기, 소프트 스위칭 및 반도체 매개변수를 검증해야 합니다. 경부하 동작; 절연 및 부분방전 성능; 게이트 루프 레이아웃; 열분포; 그리고 결함 운영 전략.

모듈형 시스템에서는 모듈 등급 및 보호 하드웨어가 확정되기 전에 바이패스 작동 및 제어 재구성이 정의되어야 합니다.