Výkonová elektronika a nové energie

So spojitou optimalizáciou globálnych energetických štruktúr a pokrokmi v oblasti technológií obnoviteľných zdrojov energie hrajú výkonové elektroniky čoraz dôležitejšiu úlohu v rámci systémov nových energií. Z fotovoltaické meniče až po systémy na výrobu elektrickej energie z vetra, až po systémy na ukladanie energie a vozidlá s alternatívnym pohonom , výkonové elektronické zariadenia sú prakticky všadeprítomné. Avšak požiadavky na vysokú výkonovú hustotu, vysokú účinnosť a predĺženú životnosť spôsobujú, že tieto zariadenia počas prevádzky generujú významné množstvo tepla. Ak sa s týmto teplom neprijme účinná kontrola, nielenže sa zníži účinnosť zariadenia, ale tiež sa výrazne zhorší spoľahlivosť a životnosť systému. V dôsledku toho má návrh a aplikácia chladičov, ako kľúčového komponentu tepelného manažmentu vo výkonových elektronických systémoch, veľký význam pre rozvoj priemyslu nových zdrojov energie.

Výkonové elektronické zariadenia, ako napríklad IGBT, MOSFET a výkonové diódy generujú významné množstvo tepla za podmienok vysokofrekvenčnej a vysokovýkonnej prevádzky. Zvýšenie teploty vedie k vyššiemu prepínaciemu výkonovému strate, zvýšenému impedančnému vedeniu, urýchlenému starnutiu polovodičových materiálov a môže dokonca spustiť termický rozbeh. V dôsledku toho tepelné odvody v systémoch výkonovej elektroniky slúžia nielen ako pasívne chladiace prostriedky, ale ako kľúčové komponenty zabezpečujúce stabilitu systému, predĺženú životnosť a zvýšenú účinnosť. Obzvlášť v aplikáciách nových foriem energie, kde výkonové prvky často pracujú nepretržite za meniacich sa okolitých teplôt, priamo ovplyvňuje výkon tepelného odvodu spoľahlivý prevádzkový chod systému.

• Fotovoltaické invertery

Fotovoltaické meniče tvoria jadro solárnych fotovoltaických systémov a menia jednosmerný prúd na striedavý. Výkonové súčiastky vo vnútri meničov vyvíjajú teplo počas spínania pri vysokých frekvenciách. Nedostatočné odvádzanie tepla môže viesť k zníženiu účinnosti meniča alebo dokonca k jeho vypnutiu. Bežné konfigurácie chladičov zahŕňajú hliníkové extrudované chladiče a chladiace dosky s kvapalinovým chladením. Extrudované hliníkové chladiče zvyšujú odvod tepla optimalizovanou štruktúrou lámavých plôch, čo umožňuje prirodzenú konvekciu alebo nútené vetranie. Naopak, dosky s kvapalinovým chladením využívajú cirkulujúce médiá na odvod tepla, čo ich robí vhodnými pre fotovoltaické meniče s vysokou hustotou výkonu alebo pre meniče umiestnené v uzavretých priestoroch.

• Nabíjacia stanica pre elektrické vozidlá

Nabíjacie stanice počas efektívneho prenosu energie generujú významné množstvo tepla, pričom výkon chladiacej hladiny priamo určuje spoľahlivosť, bezpečnosť a prevádzkovú životnosť. Základné výkonové moduly (napr. IGBT alebo SiC MOSFET) vykazujú významné straty výkonu pri prevode striedavého prúdu zo siete na jednosmerný prúd potrebný pre batériu, pričom túto energiu uvoľňujú vo forme tepla. Ak sa toto teplo neodvádza včas, hlavné komponenty sa prehrievajú, čo vedie k poklesu účinnosti, zhoršeniu výkonu alebo dokonca k trvalému poškodeniu. Efektívny systém tepelného manažmentu je zásadný pre zabezpečenie stabilnej prevádzky nabíjacích staníc za podmienok vysokých teplôt a zaťaženia a udržanie ich menovitého výkonu (napr. 120 kW, 360 kW alebo vyššie), čo priamo ovplyvňuje bezpečnosť nabíjania a skúsenosti používateľa.

V súčasnosti sa pri tepelnom manažmente nabíjacích staníc primárne používajú dva technické prístupy: chladenie vzduchom a chladené kvapalinou :

1. Radiátory s núteným vetraním: Toto je bežné riešenie pre nabíjačky prvej generácie a strednej až nízkej výkonnosti. Založené je na zväčšení plochy kontaktu medzi výkonovými komponentmi a vzduchom pomocou chladiacich plôch, pričom k nútenému konvekčnému odvodu tepla dochádza pomocou ventilátorov. Tento prístup sa vyznačuje jednoduchou štruktúrou a nižšími nákladmi, avšak jeho chladiaci výkon je obmedzený, úroveň hluku ventilátorov je výrazná a je náchylný k znečisteniu prostredia prachom, čo znemožňuje spĺňanie požiadaviek vyššej hustoty výkonu.

2. Systémy s kvapalinovým chladením: Pre rýchle nabíjačky s vysokým výkonom (zvyčajne 150 kW a vyššie) sa stalo kvapalinové chladenie štandardným prístupom. Tento systém využíva chladiace platne s kvapalinou, ktoré tesne priliehajú k súčiastkam vyvíjajúcim teplo. Po absorpcii tepla chladiaca kvapalina prenáša teplo na diaľkový kvapalinovo-kvapalinový alebo kvapalinovo-vzduchový výmenník tepla (hlavný chladič) na odvod tepla. Kvapalinové chladenie je oveľa efektívnejšie ako vzduchové, ponúka kompaktnejšie rozmery, poskytuje uzatvorenú ochranu kritických vnútorných komponentov a výrazne zníži hluk. V súčasnosti sa u extrémne rýchlych nabíjačiek rozširuje kvapalinové chladenie až na kábel nabíjacej pistolky, čo zabezpečuje bezpečnosť a ľahkosť konštrukcie pri vysokých prúdoch.

Rýchly vývoj výkonovej elektroniky a nových energetických systémov kladie vyššie nároky na výkon chladičov. Prostredníctvom optimalizovaného dizajnu, dôsledného výberu materiálov a inteligentnej regulácie chladiče nielen účinne riešia problémy s tepelným manažmentom, ale tiež zvyšujú účinnosť systémov, predlžujú životnosť komponentov a prispievajú k udržateľnému rozvoju technológií nových zdrojov energie. Do budúcnosti, s pokračujúcim pokrokom v materiálovom inžinierstve a technikách tepelného manažmentu, sa chladiče stanú nenahraditeľnými kľúčovými komponentmi v odvetví nových zdrojov energie a poskytnú solidnú technickú podporu pre dosiahnutie zeleného energetického prechodu.