Seleção da topologia do transformador de estado sólido: dois níveis versus três níveis e DAB versus LLC

Um transformador de estado sólido não deve ser tratado como um transformador convencional reconstruído com chaves semicondutoras. Essa interpretação é muito restrita e muitas vezes leva a topologia, componentes e prioridades de validação erradas.

Para uma função básica de redução de tensão e isolamento, um transformador de frequência de linha convencional continua difícil de substituir. É eficiente, durável, relativamente econômico e familiar ao pessoal de campo. O valor de engenharia de um transformador de estado sólido torna-se mais claro quando diversas funções devem ser combinadas dentro de uma interface controlável de eletrônica de potência.

Essas funções podem incluir transformação de tensão, isolamento galvânico, conversão CA/CC, conversão CC/CC isolada, fluxo de energia controlado, portas CC acessíveis e gerenciamento de qualidade de energia. Uma vez que esses requisitos sejam considerados em conjunto, a seleção da topologia torna-se uma decisão de projeto em nível de sistema, em vez de uma comparação entre circuitos conversores individuais.

Uma sequência prática de desenvolvimento é:

Seleção de topologia → projeto de parâmetros → validação de engenharia

Essas etapas são interdependentes. Uma topologia que pareça adequada durante a análise de circuito pode se tornar impraticável após projeto magnético, cálculo de tensão de semicondutores, teste de carga leve, avaliação de isolamento, análise térmica ou validação de operação de falha.

O que é um transformador de estado sólido?

ETH Zuriquedescreve umtransformador de estado sólido, ou SST, como uma interface eletrônica de potência isolada galvanicamente entre sistemas elétricos. Ele usa conversão de energia controlada para combinar transformação de tensão e isolamento com funções como conversão AC/DC, conversão DC/DC, controle de fluxo de energia, acesso DC e recursos de suporte à rede. (pes-publications.ee.ethz.ch)

SST como uma interface eletrônica de potência integrada

A característica definidora de um SST não é simplesmente o uso de dispositivos de comutação. Seu principal valor reside na integração de funções que, de outra forma, exigiriam vários dispositivos ou estágios de conversão separados.

Um SST pode fornecer isolamento elétrico enquanto controla a magnitude e a direção da transferência de energia. Ele pode criar um link CC intermediário, fornecer uma saída CC regulada, fazer interface com uma carga CA ou suportar funções de qualidade de energia na conexão à rede.

Isso muda a base de comparação.

Um transformador convencional é avaliado principalmente como um dispositivo passivo de conversão e isolamento de tensão. Um SST deve ser avaliado como um sistema eletrônico de potência completo contendo chaves semicondutoras, componentes magnéticos, capacitores, gate drivers, malhas de controle, funções de proteção, caminhos térmicos e uma estrutura de isolamento.

A sua adequação depende, portanto, da aplicação. Um SST não é automaticamente superior porque fornece controle ativo, e um transformador convencional não é obsoleto simplesmente porque não possui funcionalidade eletrônica de potência.

Por que um transformador convencional permanece forte para aplicações abaixadoras básicas

Quando o requisito é limitado à transformação de tensão confiável e ao isolamento galvânico, um transformador de frequência de linha convencional ainda fornece uma forte base de engenharia.

A questão relevante não é se um SST supera um transformador convencional em todas as categorias. É se a aplicação se beneficia o suficiente da conversão controlável, do acesso DC, do gerenciamento do fluxo de energia e da integração funcional para justificar a complexidade adicional do sistema.

Como uma arquitetura SST divide tarefas de conversão de energia

Arquitetura de transformador de estado sólido de três estágios

Uma arquitetura SST comum separa o processo de conversão em três etapas principais:

1. Um estágio AC/DC do lado da rede

2. Um estágio DC/DC isolado

3. Um inversor do lado da carga ou estágio de saída CC regulado

Esta não é a única configuração SST possível. Arquiteturas modulares, tipo matriz, front-end isolado, back-end isolado e multinível podem organizar essas funções de maneira diferente.

O modelo de três estágios, no entanto, fornece uma estrutura prática para entender onde normalmente ocorrem as duas principais decisões de topologia:

• Conversão de dois níveis versus três níveis no estágio voltado para a grade

• Conversão DAB versus LLC no estágio DC/DC isolado

Conversão AC/DC frontal

O estágio frontal conecta o SST ao sistema CA e estabelece um link CC controlado. Dependendo da aplicação, ele também pode gerenciar o fluxo de energia controlado e suportar as funções de qualidade de energia necessárias.

A escolha entre uma estrutura de dois e três níveis afeta:

• Estresse de tensão de semicondutores

• Etapas de tensão do nó de comutação

• Requisitos de filtro

• Contagem de semicondutores

• Requisitos do driver de portão

• Complexidade de controle

• Sequenciamento de proteção

• Escalabilidade do sistema

Uma contagem mais baixa de semicondutores nem sempre é o objetivo mais importante. Em uma tensão mais alta no barramento CC, a tensão de bloqueio colocada em cada dispositivo pode se tornar a limitação dominante.

Uma topologia multinível pode distribuir esse estresse de tensão, mas introduz estados de comutação, capacitores ou caminhos de fixação adicionais e requisitos de balanceamento. A topologia deve, portanto, ser avaliada como parte do conversor completo e não apenas pela contagem de dispositivos.

Conversão DC/DC isolada

O estágio DC/DC isolado transfere energia através de um transformador de alta ou média frequência, mantendo o isolamento galvânico entre os domínios elétricos.

Este estágio não pode ser selecionado independentemente do projeto do transformador. A indutância de vazamento, a indutância de magnetização, os componentes ressonantes, a frequência de comutação, a capacitância do semicondutor, o tempo morto e a estratégia de modulação afetam a transferência de potência e o comportamento de comutação suave.

DAB e LLC são candidatos importantes, mas utilizam mecanismos de transferência de poder diferentes. A sua adequação depende de:

• Direção necessária do fluxo de potência

• Relação de tensão de entrada para saída

• Faixa de ganho necessária

• Perfil de carga esperado

• Faixa de comutação suave

• Design de componente magnético

• Limites de corrente circulante

• Capacidade de controle

Topologias de conversor de dois níveis versus três níveis para estágios front-end SST

Um conversor de dois níveis e um conversor de três níveis não devem ser comparados apenas contando interruptores ou comparando um valor de eficiência de pico.

Uma comparação útil começa com os requisitos operacionais:

• Qual é a tensão do barramento CC?

• Que tensão de bloqueio cada semicondutor deve suportar?

• Qual etapa de tensão do nó de comutação é aceitável?

• Qual filtragem é necessária?

• Quanta complexidade de controle o projeto pode suportar?

• A topologia requer balanceamento de tensão de ponto neutro ou de capacitor?

• Os estados de comutação e condições de falha anormais podem ser validados?

Como funciona um conversor de dois níveis

Uma perna de comutação convencional de dois níveis comuta seu nó de saída entre os trilhos positivo e negativo do barramento CC.

Os principais dispositivos de comutação devem, portanto, suportar a tensão total relevante do barramento CC, incluindo a margem necessária para ultrapassagem de comutação, eventos transitórios, resposta de proteção e desclassificação.

Uma estrutura de dois níveis tem menos estados de tensão e geralmente menos dispositivos ativos e de fixação do que uma implementação de três níveis. Isso pode simplificar:

• Condução de portão

• Modulação

• Lógica de proteção

• Sequenciamento de desligamento

• Layout da placa de circuito impresso

• Análise de falhas

A desvantagem é que o nó de comutação experimenta a transição completa de tensão do barramento CC. Esta etapa de tensão afeta a perda de comutação, o estresse eletromagnético, o comportamento do modo comum e a filtragem necessária para controlar a ondulação e as emissões da corrente.

Em tensões mais altas do barramento CC, a seleção do dispositivo pode se tornar restritiva. Um semicondutor com tensão de bloqueio suficiente pode não fornecer o equilíbrio desejado entre perda de condução, perda de comutação, velocidade de comutação e desempenho térmico.

Uma topologia de dois níveis não é, portanto, inerentemente inferior. Permanece atraente quando a tensão do dispositivo, a filtragem, a frequência de comutação, o isolamento e os requisitos térmicos podem ser atendidos sem introduzir complexidade multinível desnecessária.

Como um conversor NPC de três níveis distribui o estresse de tensão

Um conversor de três níveis com ponto neutro fixado usa um link CC dividido e caminhos de fixação para criar três níveis de tensão de nó de comutação:

• (+V_{cc}/2)

• (0)

• (-V_{dc}/2)

Sob a condição de equilíbrio pretendida, o degrau de tensão aplicado à saída ou filtro pode ser reduzido em relação a uma perna convencional de dois níveis.

Dispositivos individuais também podem operar com aproximadamente metade da carga total de bloqueio do barramento CC, dependendo do estado de comutação, estratégia de proteção, equilíbrio de tensão e implementação exata do NPC.

A redução do estresse de tensão do dispositivo pode expandir as opções de semicondutores disponíveis. A escolha final do dispositivo ainda deve considerar a perda de condução, perda de comutação, margem transitória, comportamento do pacote e restrições térmicas.

A vantagem tensão-estresse é acompanhada por requisitos adicionais de projeto. Uma perna NPC contém mais dispositivos semicondutores e caminhos de fixação, e sua operação correta depende de sequências de comutação seguras e tensões estáveis ​​de barramento dividido.

Um link de 900 V CC combinado com dispositivos de 650 V é algumas vezes usado para ilustrar o benefício do estresse de tensão da conversão multinível. No entanto, a identidade da topologia é importante.

Texas Instruments identifica TIDA-010957como umconversor de capacitor voador de três níveis, não um conversor NPC. O projeto demonstra o uso de dispositivos GaN de 650 V com tensão de barramento CC de até 900 V, mas não deve ser apresentado como um projeto de referência específico do NPC.

O princípio geral de engenharia permanece válido: um conversor multinível pode distribuir a tensão de tensão por toda a sua estrutura de comutação. O método difere entre topologias NPC, NPC ativo, tipo T, Viena e capacitor voador.

Conversor NPC de dois níveis versus três níveis

Balanceamento de tensão de ponto neutro em uma topologia NPC de três níveis

O ponto médio do link CC dividido é uma restrição de projeto ativa e não um ponto de referência passivo.

Diferentes estados de comutação e direções de corrente podem carregar e descarregar os capacitores do barramento CC superior e inferior de forma desigual. Se suas tensões se desviarem, os níveis pretendidos (+V_{dc}/2), (0) e (-V_{dc}/2) não serão mais simétricos.

Este desequilíbrio pode afetar:

• Estresse de tensão de semicondutores

• Qualidade da forma de onda de saída

• Comportamento de modulação

• Margem de proteção

• Estados de comutação disponíveis

O controlador pode precisar selecionar estados de comutação redundantes ou ajustar a sequência de modulação para influenciar a corrente do ponto neutro.

A capacidade de balanceamento pode mudar com a direção da carga, índice de modulação, fator de potência e direção do fluxo de potência. A inicialização, o desligamento, a operação com carga leve, a regeneração e a recuperação de falhas também exigem verificação.

A tensão nominal mais baixa do dispositivo, portanto, não torna uma topologia NPC automaticamente mais fácil de implementar. A etapa reduzida de tensão do nó de comutação é trocada por requisitos adicionais de gerenciamento de estado e controle de ponto médio.

Balanceamento de tensão de ponto neutro NPC

Critérios de seleção de dois níveis versus três níveis

Uma topologia de dois níveis geralmente é atraente quando a simplicidade, a clareza da proteção, a análise de falhas e a maturidade do controle dominam o projeto.

Uma topologia NPC de três níveis torna-se mais atraente quando a tensão do link CC, a disponibilidade do dispositivo, os requisitos de forma de onda ou o desempenho de comutação tornam a distribuição de estresse de tensão valiosa o suficiente para justificar o hardware adicional e o controle do ponto médio.

DAB vs LLC para o estágio DC/DC isolado

A topologia DC/DC isolada deve ser selecionada de acordo com o envelope operacional completo e não com o nome da topologia.

DAB e LLC usam isolamento de alta frequência, mas seus mecanismos de transferência de energia e variáveis ​​de controle primárias são diferentes. Sua seleção afeta o projeto do transformador, tensão de corrente, ganho de tensão, comportamento de comutação suave, operação bidirecional e desempenho em carga leve.

Princípio operacional DAB e fatores de decisão de engenharia

UMponte ativa dupla, ou DAB, usa pontes comutadas ativamente em ambos os lados de um transformador de alta frequência.

Como ambos os lados contêm pontes de comutação ativas, a topologia é naturalmente adequada para transferência de potência bidirecional controlada.

A potência é comumente regulada alterando a relação de temporização entre as tensões da ponte. Numa implementação básica, isto é conseguido através do controle de mudança de fase. Métodos de modulação mais avançados podem introduzir variáveis ​​de temporização adicionais.

A indutância de fuga do transformador, ou uma indutância em série adicional, faz parte do mecanismo de transferência de potência. Ele molda a corrente que flui entre as pontes e contribui com a energia armazenada necessária durante as transições de comutação.

Isso cria flexibilidade e sensibilidade.

A mesma indutância que permite a transferência controlada de potência também afeta:

• Inclinação atual

• Corrente de pico

• Corrente eficaz

• Potência reativa

• Energia circulante

• Faixa de comutação de tensão zero

Uma estratégia básica de mudança de fase pode ser relativamente direta, mas não garante um desempenho ideal em uma ampla relação de tensão e faixa de carga. Variáveis ​​de modulação adicionais podem reduzir o estresse de corrente ou estender a região de comutação suave, mas também aumentam a complexidade de controle e calibração.

Os principais fatores de seleção DAB são:

• Se o fluxo de energia bidirecional é necessário

• A relação de tensão esperada

• A faixa de potência necessária

• A corrente circulante aceitável

• A faixa de comutação suave necessária

• A capacidade de controle disponível

• O alvo de indutância de vazamento do transformador

• Requisitos de inicialização, reversão e resposta a falhas

Princípio operacional LLC e fatores de decisão de engenharia

UmConversor ressonante LLCé definido por três elementos ressonantes principais:

• Indutância ressonante (L_r)

• Indutância de magnetização do transformador (L_m)

• Capacitância ressonante (C_r)

Parte ou toda a indutância ressonante pode ser implementada através da indutância de fuga do transformador. A indutância magnetizante pertence à estrutura magnética do transformador, enquanto o capacitor ressonante é normalmente externo.

O ganho de tensão é controlado principalmente pela alteração da frequência de comutação em relação às frequências ressonantes da rede.

O conversor pode fornecer condições de comutação favoráveis ​​quando o tanque ressonante é projetado em torno do pretendido:

• Faixa de tensão de entrada

• Tensão de saída

• Faixa de carga

• Janela de frequência de comutação

• Requisito de ganho

Se a faixa de conversão necessária se tornar muito ampla, o conversor LLC poderá precisar operar longe de sua região ressonante preferida. Isso pode aumentar a corrente circulante, expandir a faixa de frequência de comutação, complicar o projeto magnético ou reduzir a margem de comutação suave disponível.

A afirmação de que um conversor LLC fornece comutação de tensão zero não deve, portanto, ser interpretada como incondicional.

O limite real da comutação suave depende de:

• Carregar

• Parâmetros do tanque ressonante

• Corrente de magnetização

• Tempo morto

• Capacitância do dispositivo

• Ganho de tensão necessário

• Frequência de comutação

Um estágio LLC convencional também pode usar retificação passiva no lado secundário. Não se deve presumir que esse arranjo forneça a mesma capacidade bidirecional que um DAB contendo pontes ativas em ambos os lados.

Topologias DC/DC isoladas DAB vs LLC

Critérios de seleção DAB vs LLC

O DAB é geralmente a opção mais direta quando a transferência de potência bidirecional controlada é um requisito fundamental.

LLC pode ser atraente quando a faixa de operação é claramente definida e o tanque ressonante pode permanecer próximo de condições favoráveis ​​durante a maior parte do ciclo de trabalho.

A decisão não deve basear-se num único resultado de eficiência máxima. Uma comparação significativa requer relações de tensão, níveis de potência, tecnologias de semicondutores, restrições magnéticas, condições de resfriamento, frequências de comutação e pontos de carga equivalentes.

O projeto SST deve coordenar parâmetros magnéticos, comutação suave e semicondutores

Parâmetros de projeto SST acoplados

Componentes magnéticos, condições de comutação suave e parâmetros de semicondutores não devem ser calculados como pacotes de trabalho separados.

Cada área de projeto altera as condições operacionais das demais.

Um transformador otimizado apenas para tamanho pode criar fuga excessiva ou corrente circulante. Um semicondutor selecionado apenas para baixa perda de condução pode exigir condições de comutação que o circuito magnético não pode fornecer. Uma condição de soft-switching teoricamente válida pode falhar no protótipo porque a rede parasita real difere do modelo.

Por que os parâmetros magnéticos afetam as condições de comutação

Num DAB, a indutância de transferência afeta:

• Poder transferido

• Inclinação atual

• Corrente de pico

• Corrente eficaz

• Energia reativa

• Energia disponível para transições de comutação

Se a indutância for muito pequena, a tensão da corrente poderá aumentar rapidamente. Se for muito grande, a capacidade de transferência de potência ou a resposta dinâmica podem tornar-se restritivas.

O valor correto depende da relação de tensão, frequência de comutação, método de modulação, nível de potência e comportamento do semicondutor.

Em um conversor LLC, (L_r), (L_m) e (C_r) definem a curva de ganho e as frequências ressonantes. Eles também influenciam a corrente circulante, a corrente de magnetização, a faixa de frequência de comutação e os limites de comutação suave.

Uma modificação do transformador destinada a melhorar o isolamento ou o desempenho térmico pode alterar suas indutâncias de vazamento e magnetização. Isto pode afastar o conversor da região de operação pretendida.

O projeto magnético deve, portanto, considerar mais do que o tamanho do núcleo e a perda de cobre. Deverá também abordar:

• Vazamento funcional ou indutância ressonante

• Indutância de magnetização

• Capacitância parasita

• Distância de isolamento

• Estrutura dielétrica

• Arranjo de enrolamento

• Perda de enrolamento dependente da frequência

• Perda central

• Caminho térmico

• Comportamento de descarga parcial

Por que a seleção do dispositivo não pode ser separada do layout e do design térmico

Uma folha de dados de semicondutores não representa o ambiente de comutação completo.

A capacitância de saída do dispositivo afeta a energia necessária para comutação de tensão zero. A carga do portão e a resistência interna do portão afetam os requisitos do driver. A indutância do pacote e as interconexões da PCB influenciam o overshoot, o toque e a velocidade de comutação.

O tempo morto deve ser coordenado com a corrente disponível para completar a transição de comutação. A resistência do gate altera a velocidade de comutação, mas também afeta a perda e o overshoot.

A alimentação do gate-driver, a barreira de isolamento, a resposta de proteção e o comportamento de modo comum devem ser compatíveis com a tecnologia de semicondutores selecionada.

A frequência de comutação então retroalimenta o tamanho magnético, a perda de semicondutores, os requisitos de resfriamento e o estresse de isolamento.

O aumento da frequência pode reduzir o volume magnético, mas também pode aumentar:

• Perda de comutação

• Perda de enrolamento

• Perda dielétrica

• Concentração térmica

• Sensibilidade a componentes parasitas

As decisões elétricas, magnéticas, térmicas, de isolamento, de controle e de layout devem, portanto, ser resolvidas como um problema de projeto coordenado.

Cinco requisitos de validação de engenharia para projetos SST de alta tensão

Cinco requisitos merecem atenção inicial no desenvolvimento de SST modular e de alta tensão:

1. Não calcule componentes magnéticos, comutação suave e parâmetros de semicondutores de forma independente.

2. Valide a operação com carga leve separadamente.

3. Realize testes de descarga parcial antes da montagem completa do protótipo.

4. Mantenha a indutância parasita do gate-loop abaixo da meta especificada do projeto.

5. Defina a estratégia de bypass antes de construir um sistema multimódulo.

Esses requisitos foram associados a projetos SST rotulados≥3kV. A etiqueta de tensão está incompleta, a menos que a localização da tensão relevante e sua base CA ou CC sejam definidas.

Cinco requisitos de validação de engenharia SST de alta tensão

Valide a operação de carga leve separadamente

O desempenho de carga nominal não estabelece o desempenho de carga leve.

Num DAB, a comutação de tensão zero depende parcialmente da energia armazenada na indutância de transferência. Com menor potência transferida, a corrente disponível pode ser insuficiente para carregar e descarregar as capacitâncias semicondutoras durante o intervalo de comutação.

O conversor pode, portanto, perder a comutação suave mesmo quando sua forma de onda de carga nominal for satisfatória.

O consumo auxiliar também representa uma parcela maior da potência de entrada em carga leve. Os drivers de portão, a eletrônica de controle, os circuitos de detecção, resfriamento e pré-carga podem dominar as perdas que são menos significativas na potência nominal.

Um estágio LLC pode encontrar uma limitação diferente. Manter a regulação com carga leve pode exigir uma grande mudança na frequência de comutação ou um modo de operação dedicado para carga leve.

A validação de carga leve deve examinar:

• Formas de onda do nó de comutação

• Margem de comutação de tensão zero

• RMS e corrente circulante

• Estabilidade da malha de controle

• Consumo de energia auxiliar

• Regulação de saída

• Distribuição térmica

Nenhuma percentagem de carga fixa deve ser tratada como uma definição universal de carga leve. Os pontos de teste devem refletir o ciclo de trabalho real da aplicação.

Realize testes de descarga parcial antes da montagem completa do protótipo

O risco de descarga parcial deve ser avaliado antes que a estrutura de isolamento seja travada no conjunto mecânico completo.

Os testes iniciais podem revelar pontos fracos em:

• Enrolamentos do transformador

• Isolamento intercalar

• Materiais de envasamento

• Terminais

• Estruturas de ônibus

• Conectores

• Regiões de concentração de campo elétrico

Encontrar esses problemas antes da montagem final facilita a localização do defeito e a revisão da geometria do isolamento.

CEI 60270:2025define a estrutura geral baseada em carga para terminologia de descarga parcial, quantidades, frequências de medição, circuitos de teste, calibração, métodos de medição e tratamento de interferências. Aplica-se a medições de descarga parcial baseadas em carga em aparelhos, componentes e sistemas elétricos sob condições de teste CA ou CC especificadas. (Loja virtual IEC)

A IEC 60270 não estabelece um limite universal de aceitação de SST, nem especifica que todos os testes devem ocorrer antes da montagem do protótipo.

A tensão de teste necessária, a tensão inicial de descarga parcial, a tensão de extinção, o limite de carga aparente, a duração e os critérios de aceitação devem ser determinados a partir dos requisitos aplicáveis ​​do equipamento, coordenação de isolamento, padrão do produto ou especificação do cliente.

Os testes iniciais de descarga parcial são uma medida de sequenciamento de engenharia e não um substituto para a qualificação final do sistema.

Mantenha a indutância parasita do Gate-Loop abaixo de 10 nH

Para o projeto de comutação de alta velocidade considerado aqui, a indutância parasita do circuito de porta deve permanecer abaixo10nH.

Esta meta deve ser tratada como um limite específico do projeto e não como uma regra SST universal. O valor apropriado depende de:

• Tecnologia de semicondutores

• Pacote de dispositivos

• Colocação do motorista

• Velocidade de comutação

• Resistência do portão

• Implementação de fonte Kelvin

• Limite de medição ou extração

A indutância do gate-loop afeta o comportamento de ligar e desligar. A indutância excessiva pode contribuir para:

• Sobrecarga de tensão de porta

• Subestimação da tensão da porta

• Oscilação

• Comutação atrasada

• Ativação parasitária

• Aumento da perda de comutação

• Sobrecarga do dispositivo

• Eficácia de proteção reduzida

O gate driver deve ser colocado próximo ao dispositivo semicondutor. O caminho da saída do driver até o portão e de volta ao retorno do driver deve ser curto e compacto.

Quando disponível, uma conexão de fonte Kelvin ou emissor Kelvin deve separar o retorno do gate-drive do caminho principal da corrente de energia.

A indutância final deve ser verificada no layout real, em vez de inferida apenas no esquema.

Defina uma estratégia de bypass antes de construir um SST modular

A modularidade não fornece automaticamente tolerância a falhas.

Um SST multicélula pode continuar operando após uma falha de módulo somente quando a arquitetura tiver sido projetada para essa condição.

O sistema pode exigir:

• Capacidade de tensão redundante

• Um caminho de desvio físico

• Detecção de falhas

• Isolamento obrigatório

• Reconfiguração de controle

• Redistribuição de tensão

• Um modo de operação degradado definido

Estas funções devem ser tratadas separadamente.

Detecção de falhasidentifica um módulo anormal.
Isolamento obrigatórioimpede que a falha se propague.
Desvio físicocria um caminho de corrente alternativo.
Reconfiguração de controlealtera os comandos aplicados aos módulos restantes.
Redistribuição de tensãoevita que módulos saudáveis ​​sejam sobrecarregados.
Operação degradadadefine o nível de potência restante permitido.

Uma chave de bypass sem margem de tensão suficiente nos módulos restantes não cria um sistema tolerante a falhas.

Da mesma forma, módulos redundantes sem sequências validadas de detecção, isolamento e controle podem não melhorar a disponibilidade prática do sistema.

A estratégia de bypass deve, portanto, ser estabelecida antes da finalização da classificação do módulo, da estrutura de isolamento, da hierarquia de controle e do hardware de proteção.

Defina o significado do limite ≥3 kV

A frase “aplicável a projetos SST ≥3 kV” está incompleta, a menos que a tensão referenciada seja identificada.

Pode referir-se a:

• Tensão linha a linha de entrada CA

• Tensão CA linha-terra

• Tensão do link CC

• Tensão de saída

• Tensão do módulo individual

• Tensão de teste de isolamento

• Avaliação completa do sistema

Esses valores não são intercambiáveis.

Um link CC de 3 kV e um sistema CA de 3 kV não criam requisitos idênticos de semicondutores, isolamento, aterramento ou teste.

Uma arquitetura em cascata também pode dividir a tensão do sistema entre vários módulos, tornando o estresse elétrico no nível do módulo muito diferente da tensão terminal.

Os cinco requisitos de engenharia permanecem relevantes, mas a etiqueta ≥3 kV não deve ser convertida em uma classificação formal de tensão ou limite de teste obrigatório até que sua referência elétrica seja definida.

Um fluxo de trabalho prático de seleção de topologia SST

O desenvolvimento SST deve ser tratado como um processo iterativo.

A topologia inicial define o espaço de design, mas os cálculos dos parâmetros e os resultados da validação podem exigir a revisão da topologia ou da faixa operacional.

Etapa 1: Definir funções do sistema antes de selecionar uma topologia

A primeira tarefa é determinar o que o SST deve realizar.

Os requisitos devem definir:

• Domínios de tensão de entrada e saída

• Interfaces CA e CC

• Requisitos de isolamento galvânico

• Direção do fluxo de potência

• Potência contínua e de pico

• Perfil de carga esperado

• Portas DC necessárias

• Funções de qualidade de energia

• Requisitos de redundância e operação de falhas

• Restrições de refrigeração e instalação

• Requisitos de isolamento e descarga parcial

• Capacidade de manutenção

Somente depois que essas funções estiverem claras a topologia do conversor deverá ser selecionada.

Um sistema que requer fluxo de potência reverso controlado não deve ser avaliado da mesma forma que uma fonte regulada unidirecional. Uma interface modular de média tensão também requer um processo de decisão diferente de um único conversor de baixa tensão.

Etapa 2: Projetar parâmetros elétricos, magnéticos, térmicos e de controle juntos

A topologia selecionada estabelece relações entre tensão do semicondutor, frequência de chaveamento, parâmetros do transformador, indutância ressonante ou de transferência, variáveis ​​de controle e limites térmicos.

O design dos parâmetros deve seguir um loop coordenado:

1. Defina o estresse elétrico e a faixa de operação.

2. Selecione tecnologias de semicondutores candidatas e classes de tensão.

3. Estabeleça possíveis frequências de comutação e métodos de modulação.

4. Projete o transformador e a indutância funcional.

5. Recalcular a tensão atual e os limites de comutação suave.

6. Estimar perdas semicondutoras e magnéticas.

7. Verifique a viabilidade térmica.

8. Revise as restrições de isolamento e layout.

9. Repita até que os projetos elétricos e físicos sejam consistentes.

O resultado final deve descrever um mapa operacional em vez de um ponto operacional nominal.

Etapa 3: Validar faixa de carga, isolamento, loops de comutação e operação de falha

A validação de engenharia deve abranger mais do que a potência nominal e a eficiência máxima.

O programa de teste deve incluir:

• Condições de tensão nominal e fora da nominal

• Operação de carga total

• Operação com carga leve

• Inversão do fluxo de potência quando aplicável

• Inicialização e desligamento

• Comportamento de isolamento

• Dinâmica do circuito de comutação

• Limites térmicos

• Operação de bypass modular

Um teste de carga nominal bem-sucedido prova apenas que uma condição operacional foi alcançada.

Se a validação revelar margem inadequada de comutação suave, tensão excessiva de corrente, desvio do ponto médio, fraqueza do isolamento, concentração térmica ou problemas de recuperação de falta, o projeto deverá retornar ao estágio de parâmetro ou topologia.

Fluxo de trabalho de desenvolvimento iterativo de SST

Erros comuns de seleção de topologia SST

Tratando um SST como uma versão eletrônica de um transformador convencional

Esta abordagem ignora o principal motivo para usar um SST: a integração de conversão controlada, isolamento, acesso DC e funções de qualidade de energia.

Quando apenas a redução passiva da tensão e o isolamento são necessários, um transformador convencional pode continuar sendo a solução de engenharia mais robusta.

Escolhendo uma topologia de três níveis sem planejar o controle de ponto neutro

A tensão nominal mais baixa do semicondutor não elimina a complexidade do sistema.

Um projeto de NPC deve gerenciar tensão de barramento dividido, estados de comutação redundantes, inicialização, desligamento, condições anormais e sequenciamento de proteção.

O comportamento do ponto neutro deve ser incluído na especificação de controle e validação desde o início.

Selecionando DAB ou LLC a partir de um único número de eficiência

Os dados de eficiência só são significativos quando as condições operacionais são comparáveis.

A relação de tensão, o nível de potência, a tecnologia de semicondutores, o design do transformador, a modulação, a frequência de comutação, o resfriamento e o ponto de carga podem alterar o resultado.

Um valor de eficiência máxima não descreve o envelope operacional completo.

Presumir que o teste de carga nominal conclui o processo de validação

Comutação de carga leve, comportamento de isolamento, dinâmica de gate-loop, distribuição térmica e tratamento modular de falhas podem falhar mesmo quando a conversão de potência de carga nominal parece normal.

O plano de validação deve refletir as condições operacionais reais e os estados de falha credíveis do sistema.

Conclusão: Selecione a Arquitetura SST como um Sistema Completo

Um transformador de estado sólido torna-se valioso quando uma aplicação requer mais do que transformação passiva de tensão.

Seu caso de engenharia é baseado na integração de isolamento, conversão AC/DC, conversão DC/DC, fluxo de energia controlado, portas DC e funções de qualidade de energia.

Essa integração também torna a seleção da topologia mais exigente.

Um front-end de dois níveis pode fornecer a solução mais direta quando o estresse e a filtragem do semicondutor permanecem gerenciáveis.

Uma estrutura NPC de três níveis pode melhorar a distribuição de estresse de tensão e reduzir as etapas de tensão do nó de comutação, mas introduz dispositivos adicionais, estados de comutação e requisitos de controle de ponto neutro.

Um estágio isolado DAB é adequado para transferência de potência bidirecional controlada, mas seu estresse de corrente e faixa de comutação suave dependem da indutância, relação de tensão, carga e modulação.

Um estágio LLC pode fornecer operação ressonante favorável dentro de uma faixa de ganho definida, mas sua faixa de frequência e comportamento de comutação suave devem ser validados durante o ciclo de trabalho real.

Uma decisão de topologia está incompleta até que o projeto magnético, o mapa de tensão do semicondutor, os limites térmicos, a estrutura de isolamento, o envelope de controle, o comportamento de carga leve e a estratégia de operação de falta tenham sido verificados em conjunto.

Perguntas frequentes

Qual é a principal diferença entre um transformador de estado sólido e um transformador convencional?

Um transformador convencional fornece principalmente transformação de tensão passiva e isolamento galvânico.

Um SST combina isolamento com conversão CA/CC e CC/CC ativamente controlada, controle de fluxo de energia, acesso CC e funções potencialmente de qualidade de energia. O SST fornece funcionalidade de sistema mais ampla, enquanto o transformador convencional permanece altamente competitivo para transformação de tensão simples e confiável.

Quando um SST deve usar uma topologia de conversor de dois ou três níveis?

Uma topologia de dois níveis é adequada quando a tensão do barramento CC, as classificações do dispositivo, o desempenho de comutação e os requisitos de filtragem podem ser gerenciados sem complexidade multinível adicional.

Uma topologia de três níveis torna-se atraente quando a distribuição do estresse de tensão do semicondutor ou a redução das etapas de tensão do nó de comutação fornecem benefícios suficientes para justificar dispositivos adicionais, estados de comutação e requisitos de balanceamento de tensão.

Por que o balanceamento de tensão do ponto neutro é importante em um conversor NPC de três níveis?

Um conversor NPC usa um link CC dividido para criar níveis de comutação (+V_{dc}/2), (0) e (-V_{dc}/2).

A carga desigual dos capacitores do barramento CC superior e inferior pode alterar a tensão do ponto médio, distorcer os níveis de comutação pretendidos e alterar a tensão do semicondutor. Carregamento, modulação, inicialização, desligamento e direção do fluxo de energia podem influenciar o equilíbrio.

DAB ou LLC são melhores para o estágio DC/DC isolado de um SST?

Nenhuma das topologias é universalmente melhor.

O DAB é geralmente mais direto quando o fluxo de potência bidirecional ativo é essencial. O LLC pode ser atraente quando a faixa de ganho é bem controlada e o tanque ressonante pode permanecer próximo de condições operacionais favoráveis.

A seleção deve considerar a relação de tensão, faixa de carga, limites de comutação suave, corrente circulante, projeto magnético e complexidade de controle.

Por que o desempenho de carga leve do SST deve ser testado separadamente?

As condições de comutação suave e o comportamento de regulação podem mudar significativamente em baixa potência.

Um DAB pode não ter mais energia indutiva suficiente para manter a comutação de tensão zero. Um LLC pode exigir uma mudança maior na frequência de comutação ou um modo de carga leve dedicado.

O consumo auxiliar também se torna uma parcela maior da perda total, de modo que os resultados de carga nominal não podem prever a eficiência ou estabilidade de carga leve.

O que deve ser validado antes de montar um protótipo de SST de alta tensão?

A equipe de projeto deve validar os parâmetros magnéticos, de comutação suave e semicondutores acoplados; comportamento em carga leve; desempenho de isolamento e descarga parcial; layout de portão; distribuição térmica; e estratégia de operação de falhas.

Em um sistema modular, a operação de bypass e a reconfiguração do controle devem ser definidas antes da finalização das classificações do módulo e do hardware de proteção.