Eletrônica de Potência e Nova Energia

Com a contínua otimização das estruturas energéticas globais e os avanços nas tecnologias de energia renovável, a eletrônica de potência desempenha um papel cada vez mais proeminente nos sistemas de nova energia. Da inversores fotovoltaicos até sistemas de geração de energia eólica, e estendendo-se a sistemas de armazenamento de energia e veículos de nova energia , dispositivos eletrônicos de potência são virtualmente onipresentes. No entanto, as exigências por alta densidade de potência, alta eficiência e vida útil prolongada fazem com que esses dispositivos gerem quantidades consideráveis de calor durante a operação. Se esse calor não for eficazmente gerenciado, isso não apenas reduz a eficiência do dispositivo, mas também compromete severamente a confiabilidade do sistema e sua vida útil. Consequentemente, como componente central do gerenciamento térmico em sistemas eletrônicos de potência, o projeto e a aplicação de dissipadores de calor têm grande importância para o desenvolvimento da indústria de novas energias.

Dispositivos eletrônicos de potência, como IGBTs, MOSFETs e diodos de potência geram calor considerável em condições de operação de alta frequência e alta potência. Aumentos de temperatura levam a perdas por comutação mais elevadas, impedância de condução aumentada, envelhecimento acelerado do material semicondutor e podem até desencadear um colapso térmico. Consequentemente, os dissipadores de calor em sistemas eletrônicos de potência não servem apenas como ferramentas passivas de refrigeração, mas como componentes essenciais para garantir a estabilidade do sistema, vida útil prolongada e maior eficiência. Em particular, em aplicações de energia nova, nas quais os dispositivos de potência frequentemente operam continuamente sob temperaturas ambientes variáveis, o desempenho do dissipador de calor impacta diretamente a operação confiável do sistema.

• Inversores fotovoltaicos

Os inversores fotovoltaicos constituem o núcleo dos sistemas solares fotovoltaicos, convertendo corrente contínua em corrente alternada. Os dispositivos de potência dentro dos inversores geram calor durante operações de comutação de alta frequência. Uma gestão térmica inadequada pode levar à redução da eficiência do inversor ou até ao seu desligamento. As configurações comuns de dissipadores de calor incluem dissipadores de alumínio extrudido e placas de refrigeração líquida. Os dissipadores de alumínio extrudido melhoram a dissipação de calor através de estruturas de aletas otimizadas, permitindo a convecção natural ou arrefecimento por ventilação forçada. As placas refrigeradas a líquido, por outro lado, utilizam fluidos circulantes para remover o calor, tornando-as adequadas para inversores fotovoltaicos de alta densidade de potência ou em ambientes fechados.

• Estação de carregamento de veículos elétricos

As estações de carregamento geram calor substancial durante a transferência eficiente de energia, sendo o desempenho do dissipador de calor determinante para a confiabilidade, segurança e vida útil operacional. Os módulos principais de potência (como IGBTs ou SiC MOSFETs) apresentam perdas significativas de potência ao converter a corrente alternada da rede em corrente contínua exigida pela bateria, liberando essa energia na forma de calor. A incapacidade de dissipar esse calor rapidamente faz com que os componentes principais superaqueçam, levando à degradação da eficiência, queda de desempenho ou até danos permanentes. Um sistema eficiente de gerenciamento térmico é fundamental para garantir que as estações de carregamento operem de forma estável em condições de alta temperatura e alta carga, mantendo sua potência nominal (por exemplo, 120kW, 360kW ou superior), impactando diretamente a segurança do carregamento e a experiência do usuário.

Atualmente, o gerenciamento térmico das estações de carregamento utiliza principalmente duas abordagens técnicas: refrigeração a ar e refrigeração líquida :

1. Radiadores com Resfriamento a Ar Forçado: Esta é a solução comum para estações de carregamento de gerações iniciais e de média a baixa potência. Seu princípio envolve o aumento da área de contato entre os componentes elétricos e o ar por meio de aletas de resfriamento, utilizando em seguida ventiladores para promover uma troca térmica convectiva forçada. Essa abordagem apresenta estrutura simples e custo mais baixo, mas sua eficiência de resfriamento é limitada, o ruído dos ventiladores é significativo e é suscetível à poeira ambiental, tornando difícil atender às exigências do desenvolvimento com maior densidade de potência.

2. Sistemas com refrigeração líquida: Para carregadores rápidos de alta potência (geralmente 150 kW e acima), a refrigeração líquida tornou-se a abordagem dominante. Este sistema utiliza placas de refrigeração líquida que entram em contato próximo com os componentes geradores de calor. Após absorverem o calor, o fluido refrigerante transporta-o para um trocador de calor líquido-líquido ou líquido-ar remoto (o radiador principal) para dissipação. A refrigeração líquida supera significativamente a refrigeração a ar em eficiência, oferece um espaço mais compacto, fornece proteção selada para componentes internos críticos e reduz substancialmente o ruído. Atualmente, carregadores ultrarrápidos estendem até mesmo a refrigeração líquida ao cabo do conector de carregamento, garantindo segurança e design leve sob altas correntes.

O rápido avanço da eletrônica de potência e dos sistemas de nova energia impõe exigências aumentadas de desempenho aos dissipadores de calor. Através de um design otimizado, seleção criteriosa de materiais e controle inteligente, os dissipadores de calor não apenas resolvem eficazmente os desafios de gerenciamento térmico, mas também melhoram a eficiência do sistema, prolongam a vida útil dos componentes e impulsionam o desenvolvimento sustentável das tecnologias de nova energia. No futuro, com o progresso contínuo nas ciências dos materiais e nas técnicas de gerenciamento térmico, os dissipadores de calor se tornarão componentes centrais indispensáveis na indústria de nova energia, fornecendo suporte técnico robusto para alcançar a transição para energias verdes.