Силовая электроника и новые источники энергии

Благодаря постоянной оптимизации глобальной структуры энергоснабжения и достижениям в области технологий возобновляемой энергетики, силовая электроника играет всё более заметную роль в системах новых источников энергии. От фотоэлектрические инверторы до систем генерации ветровой энергии, и далее до систем хранения энергии и транспортных средств на новых источниках энергии , устройства силовой электроники практически повсеместны. Однако требования к высокой плотности мощности, высокой эффективности и длительному сроку службы приводят к тому, что эти устройства выделяют значительное количество тепла в процессе работы. Если это тепло не управляется эффективно, это не только снижает эффективность устройства, но и серьезно подрывает надежность системы и срок её службы. Следовательно, поскольку радиаторы являются ключевым компонентом теплового управления в системах силовой электроники, их проектирование и применение имеют большое значение для развития индустрии новых источников энергии.

Устройства силовой электроники, такие как IGBT, MOSFET и силовые диоды выделяют значительное количество тепла при работе в условиях высокой частоты и высокой мощности. Повышение температуры приводит к увеличению потерь на переключение, росту сопротивления проводимости, ускоренному старению полупроводниковых материалов и может даже вызвать тепловой пробой. Следовательно, радиаторы в системах силовой электроники служат не просто пассивными элементами охлаждения, а критически важными компонентами, обеспечивающими стабильность системы, увеличенный срок службы и повышение эффективности. Особенно в приложениях новой энергетики, где силовые устройства часто работают непрерывно в условиях изменяющейся окружающей температуры, производительность радиаторов напрямую влияет на надежную работу системы.

• Фотovoltaic инверторы

Фотовольтаические инверторы являются основой солнечных фотоэлектрических систем, преобразуя постоянный ток в переменный. Мощностные элементы внутри инверторов выделяют тепло при работе на высокой частоте переключения. Недостаточное тепловое управление может привести к снижению эффективности инвертора или даже к его отключению. Обычные конфигурации радиаторов включают выдавленные алюминиевые радиаторы и пластины жидкостного охлаждения. Выдавленные алюминиевые радиаторы улучшают рассеивание тепла за счёт оптимизированной конструкции рёбер, обеспечивая естественную конвекцию или принудительное воздушное охлаждение. Пластины с жидкостным охлаждением, напротив, используют циркулирующие жидкости для отвода тепла, что делает их подходящими для фотоэлектрических инверторов с высокой плотностью мощности или предназначенных для работы в замкнутых пространствах.

• Станция зарядки электромобилей

Зарядные станции выделяют значительное количество тепла при эффективной передаче энергии, а эффективность работы радиаторов напрямую определяет надежность, безопасность и срок эксплуатации. Основные силовые модули (такие как IGBT или SiC MOSFET) испытывают значительные потери мощности при преобразовании переменного тока сети в постоянный ток, необходимый для аккумулятора, выделяя эту энергию в виде тепла. Если это тепло не рассеивается своевременно, основные компоненты перегреваются, что приводит к снижению эффективности, ухудшению производительности или даже к необратимым повреждениям. Эффективная система теплового управления имеет первостепенное значение для обеспечения стабильной работы зарядных станций в условиях высоких температур и нагрузок, а также поддержания их номинальной выходной мощности (например, 120 кВт, 360 кВт или выше), что напрямую влияет на безопасность зарядки и пользовательский опыт.

В настоящее время в системах теплового управления зарядных станций в основном используются два технических подхода: воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение :

1. Радиаторы с принудительным воздушным охлаждением: это распространенное решение для зарядных станций раннего поколения и средней, а также низкой мощности. Принцип заключается в увеличении площади контакта между силовыми компонентами и воздухом посредством ребер охлаждения, после чего с помощью вентиляторов осуществляется принудительный конвективный теплообмен. Такое решение отличается простотой конструкции и более низкой стоимостью, однако его эффективность охлаждения ограничена, уровень шума от вентиляторов значителен, а также оно чувствительно к пыли в окружающей среде, что затрудняет соответствие требованиям развития высокой плотности мощности.

2. Системы с жидкостным охлаждением: для высокомощных быстрых зарядных устройств (обычно 150 кВт и выше) жидкостное охлаждение стало основным решением. В данной системе используются пластины жидкостного охлаждения, плотно прилегающие к компонентам, выделяющим тепло. После поглощения тепла, охлаждающая жидкость переносит его к удалённому теплообменнику «жидкость–жидкость» или «жидкость–воздух» (основному радиатору) для рассеивания. По сравнению с воздушным охлаждением, жидкостное охлаждение значительно эффективнее, отличается более компактными габаритами, обеспечивает герметичную защиту критически важных внутренних компонентов и существенно снижает уровень шума. В настоящее время в сверхбыстрых зарядных устройствах жидкостное охлаждение распространяется даже на кабель зарядного пистолета, обеспечивая безопасность и лёгкость конструкции при высоких токах.

Быстрое развитие силовой электроники и систем новых источников энергии предъявляет повышенные требования к эффективности радиаторов. Благодаря оптимизированному проектированию, тщательному выбору материалов и интеллектуальному управлению радиаторы не только эффективно решают задачи теплового управления, но и повышают эффективность систем, продлевают срок службы компонентов и способствуют устойчивому развитию технологий новых источников энергии. В перспективе, с постоянным прогрессом в области материаловедения и методов теплового управления, радиаторы станут незаменимыми ключевыми компонентами в индустрии новых источников энергии, обеспечивая надежную техническую поддержку перехода на «зеленую» энергетику.