الکترونیک قدرت و انرژی‌های نو

با بهینه‌سازی مداوم ساختارهای انرژی جهانی و پیشرفت فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر، الکترونیک قدرت نقشی فزاینده در سیستم‌های انرژی نو ایفا می‌کند. از اینورترهای فتوولتائیک تا سیستم‌های تولید انرژی بادی، و گسترش تا سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و خودروهای انرژی نو , دستگاه‌های الکترونیک قدرت تقریباً در همه جا یافت می‌شوند. با این حال، نیاز به چگالی توان بالا، بازدهی زیاد و عمر مفید طولانی‌تر، باعث می‌شود که این دستگاه‌ها در حین کار مقدار قابل توجهی گرما تولید کنند. اگر این گرما به‌طور مؤثر مدیریت نشود، نه تنها باعث کاهش بازده دستگاه می‌شود، بلکه قابلیت اطمینان سیستم و عمر مفید آن را نیز به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد. در نتیجه، طراحی و کاربرد پره‌های گرمایی به عنوان جزء اصلی مدیریت حرارتی در سیستم‌های الکترونیک قدرت، اهمیت بسزایی در توسعه صنعت انرژی نو دارد.

دستگاه‌های الکترونیک قدرت مانند IGBTها، MOSFETها و دیودهای قدرتی در شرایط کاری با فرکانس بالا و توان بالا مقدار قابل توجهی گرما تولید می‌کنند. افزایش دما منجر به افزایش تلفات سوئیچینگ، امپدانس هدایت بالاتر، پیر شدن سریع‌تر مواد نیمهرسانا و در نهایت ممکن است باعث گریز حرارتی شود. در نتیجه، هیت سینک‌ها در سیستم‌های الکترونیک قدرت تنها به عنوان ابزارهای خنک‌کننده غیرفعال عمل نمی‌کنند، بلکه به عنوان اجزای حیاتی برای تضمین پایداری سیستم، عمر طولانی‌تر و کارایی بهبودیافته عمل می‌کنند. به ویژه در کاربردهای انرژی نو، که دستگاه‌های قدرت اغلب به‌طور مداوم در دماهای محیطی متغیر کار می‌کنند، عملکرد هیت سینک به‌طور مستقیم بر عملکرد قابل اعتماد سیستم تأثیر می‌گذارد.

• اینورترهای فتوولتائیک

اینورترهای فتوولتائیک هسته اصلی سیستم‌های خورشیدی فتوولتائیک را تشکیل می‌دهند و جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کنند. قطعات توان درون اینورترها در حین عملیات سوئیچینگ با فرکانس بالا، گرما تولید می‌کنند. مدیریت نادرست حرارتی ممکن است منجر به کاهش بازده اینورتر یا حتی خاموشی آن شود. پیکربندی‌های متداول هیت سینک شامل هیت سینک‌های آلومینیومی اکسترود شده و صفحات خنک‌کننده مایع هستند. هیت سینک‌های آلومینیومی اکسترود شده با ساختار بهینه شده پره‌ها، انتقال گرما را بهبود می‌بخشند و امکان خنک‌کاری از طریق همرفت طبیعی یا جریان هوای اجباری را فراهم می‌کنند. صفحات خنک‌کننده با مایع، برعکس، از سیالات در حال گردش برای دفع گرما استفاده می‌کنند و بنابراین برای اینورترهای فتوولتائیک با تراکم توان بالا یا در محیط‌های بسته مناسب هستند.

• ایستگاه شارژ خودروهای برقی

ایستگاه‌های شارژ هنگام انتقال کارآمد انرژی، گرمای قابل توجهی تولید می‌کنند و عملکرد پره‌های گرماگیر (هیت سینک) به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان، ایمنی و عمر عملیاتی آن‌ها تأثیر دارد. ماژول‌های اصلی توان (مانند IGBTها یا SiC MOSFETها) هنگام تبدیل جریان متناوب شبکه به جریان مستقیم مورد نیاز باتری، تلفات توان قابل توجهی دارند و این انرژی را به صورت گرما آزاد می‌کنند. عدم دفع به موقع این گرما باعث داغ کردن بیش از حد قطعات اصلی می‌شود که منجر به کاهش کارایی، افت عملکرد یا حتی آسیب دائمی می‌گردد. یک سیستم مدیریت حرارتی کارآمد اساسی است تا ایستگاه‌های شارژ در شرایط دمای بالا و بار زیاد به طور پایدار کار کنند و توان نامی خود را (مثلاً ۱۲۰ کیلووات، ۳۶۰ کیلووات یا بالاتر) حفظ نمایند و این امر به طور مستقیم بر ایمنی شارژ و تجربه کاربر تأثیر می‌گذارد.

در حال حاضر، مدیریت حرارتی ایستگاه‌های شارژ عمدتاً از دو رویکرد فنی اصلی استفاده می‌کند: خنک‌کنندگی با هوا و خنک‌کنندگی با مایع :

1. رادیاتورهای خنک‌کننده با هوای اجباری: این روش راه‌حل متداول برای نسل‌های اولیه و ایستگاه‌های شارژ با توان متوسط تا پایین است. اصل آن افزایش سطح تماس بین قطعات توان و هوا از طریق پره‌های خنک‌کننده و سپس استفاده از فن‌ها برای ایجاد انتقال حرارت اجباری است. این روش دارای ساختاری ساده و هزینهٔ پایین‌تر است، اما بازده خنک‌کنی آن محدود است، صدای فن‌ها قابل توجه است و در برابر گرد و غبار محیطی آسیب‌پذیر است و بنابراین برآورده کردن نیازهای توسعه با چگالی توان بالاتر را دشوار می‌کند.

2. سیستم‌های خنک‌شونده با مایع: برای شارژرهای سریع با توان بالا (معمولاً 150 کیلووات و بالاتر)، خنک‌کاری مایع به روش اصلی تبدیل شده است. این سیستم از صفحات خنک‌کننده مایع استفاده می‌کند که به‌طور نزدیک با قطعات تولیدکننده حرارت در تماس هستند. پس از جذب حرارت، مایع خنک‌کننده آن را به یک مبدل حرارتی دورافتاده از نوع مایع به مایع یا مایع به هوای (رادیاتور اصلی) منتقل می‌کند تا دفع شود. خنک‌کاری مایع از نظر کارایی به‌مراتب بهتر از خنک‌کاری هوایی عمل می‌کند، فضای متراکم‌تری دارد، حفاظت در برابر قطعات داخلی حساس فراهم می‌کند و به‌طور چشمگیری صدای سیستم را کاهش می‌دهد. در حال حاضر، شارژرهای فوق‌سریع حتی خنک‌کاری مایع را به کابل قلاب شارژ نیز گسترش داده‌اند که ایمنی و طراحی سبک‌وزن را در جریان‌های بالا تضمین می‌کند.

پیشرفت سریع الکترونیک قدرت و سیستم‌های انرژی جدید، الزامات بالاتری را در مورد عملکرد شیرآب‌های حرارتی اعمال می‌کند. از طریق طراحی بهینه، انتخاب آگاهانه مواد و کنترل هوشمند، شیرآب‌های حرارتی نه تنها چالش‌های مدیریت حرارتی را به‌طور مؤثر حل می‌کنند، بلکه بازده سیستم را افزایش داده، عمر قطعات را افزایش می‌دهند و توسعه پایدار فناوری‌های انرژی جدید را تقویت می‌کنند. در آینده، با پیشرفت مداوم علوم مواد و تکنیک‌های مدیریت حرارتی، شیرآب‌های حرارتی به اجزای هسته‌ای ضروری در صنعت انرژی جدید تبدیل خواهند شد و پشتیبانی فنی قوی‌ای برای دستیابی به انتقال انرژی سبز فراهم خواهند کرد.