Kern tegnologieë van lae-spanning DC vaste toestand seitsbrekers

1 Tegniese Uitdagings

1.1 Stabiliteit van Toestel Parallelleering
In praktiese toepassings is die stroomdraagvermoë van 'n enkele krag-elektroniese toestel relatief beperk. Om hoë-stroomvereistes te bevredig, word dikwels meerdere toestelle in parallel verbind. Tog kan parameterverskille tussen toestelle—soos klein verskille in swakstandweerstand en drempelspanning—ongelyke stroomverspreiding tydens parallelle bedryf veroorsaak. Tydens skakel-oorgangs veroorsaak parasitaire induktansie en kapasitansie verdere onkonsekwente stroomveranderingstempo's onder parallelle toestelle, wat die stroomonevenwigtigheid vererger. As dit nie vinnig aangespreek word nie, kan hierdie onevenwigtigheid veroorsaak dat sekere toestelle as gevolg van oormatige stroom oorverhit en misluk, wat lei tot 'n korter leeftyd van die vaste-toestand-sirkuitbreek.

1.2 Vertragings in Foutopsporing
In DC-stelsels verskil foutstroomskenmerke aansienlik van AC-stelsels, sonder nulpasse wat help by foutopsporing en -onderbreking. Dit vereis dat vaste-toestand-sirkuitbreekers mikrosecondevlak foutopsporingsalgoritmes gebruik om foute akkuraat te identifiseer en vinnig te reageer. Tradisionele foutopsporingsmetodes het aansienlike vertragings wanneer hulle met vinnig veranderende DC-foutstrome behandel, waardoor hulle nie aan die eise van vinnige beskerming kan voldoen nie.

1.3 Teenstrydigheid tussen Warmteafvoer en Volume
Om die vraag na hoë kragdichtheid in moderne kragstelsels te bevredig, moet vaste-toestand-sirkuitbreekers ontwerp word om groter kragbehandeling binne beperkte ruimte te bereik. Tog lei hoër kragdichtheid tot 'n skerpe toename in warmte wat deur krag-elektroniese toestelle gegenereer word. Onvoldoende warmteafvoer veroorsaak oormatige temperature, wat toestelvermogen degradeer en potensieel termiese loop en toerustingmislukking veroorsaak. Konvensionele koeltegnieke presteer swak met hoë-kragdichtheid vaste-toestand-breekers. Terwyl vloeistofkoeling die warmteafvoerdoeltreffendheid kan verbeter, verhoog dit die toerustinggrootte en koste. Dus, hoe om doeltreffende koeling met redelike volumebeheer te balanseer—synergetiese optimalisering te bereik—bly 'n sleuteluitdaging in die ontwerp van vaste-toestand-sirkuitbreekers.

2 Kern tegnologie-navorsing

2.1 Wye-bandgap Toesteltoepassingstegnologie
(1) SiC MOSFET Keuse en Verpakking
Van verskeie wye-bandgap toestelle bied laegeleiwegverlies SiC MOSFETs aansienlike voordele. Om hul prestasie in multi-toestel parallele toepassings te verhoog, word 'n simmetriese Direkte Gebonde Koper (DBC) uitleg aangewend. Hierdie uitleg verminder effektief parasitaire induktansie, wat krities is vir die verbetering van toestelskakelkenmerke. Tydens skakeling, veral tydens afsluiting, veroorsaak die interaksie tussen parasitaire induktansie en toestelkapasitansie poortspanningsosillasie. Eksperimentele toetse wys dat met 'n simmetriese DBC uitleg, poortspanningsosillasie tydens afsluiting tot minder as 5% beheer kan word. Dit verhoog nie net dinamiese stabiliteit tydens parallelle bedryf nie, maar ook verminder die risiko van toestelskade as gevolg van spanningsosillasie.

(2) Dinamiese Stroomdelingbestuur
Om die uitdaging van stroomonevenwigtigheid in parallelle toestelle aan te spreek, word 'n bestuurstategie gekombineer met 'n stroomdelingbus en aanpasbare PI-regulerings algoritme ingevoer. Die stroomdelingbus, deur unieke strukturele ontwerp, gee 'n gebalanseerde stroomverspreidingspad vir elke parallel tak op fisiese vlak. Op hierdie basis pas 'n aanpasbare PI-reguleringsalgoritme die drijfsignalen van elke toestel dinamies aan op grond van real-time monitering van takstrome, wat meer presiese stroomdelingbestuur bewerkstellig.

2.2 Vinnige Foutopsporing en Onderbrekingstegnologie
(1) Foutopsporing Gebaseer op Poortspanning
Analise van SiC MOSFET kortsluitkenmerke wys dat tydens 'n kortsluitfout, die drain-bronspanning (VDS) vinnig piek tot 900V terwyl die poortspanning betekenisvol afneem met 'n helling wat 10 V/ns oorskry. Deur hierdie kenmerk te gebruik, word 'n dubbel-drempel-vergelyker ontwerp vir vinnige foutopsporing, met twee stroomdrempels: Ith1 = 500 A en Ith2 = 1,2 kA. Wanneer die opgespoorde stroom Ith1 oorskry, word 'n voorlopige waarskuwing getrig; oorskryding van Ith2 dui op 'n bevestigde kortsluitfout. Die ontwerpte opsporingskring en seinverwerkingsalgoritme bereik 'n opsporingsvertragings van slegs 0,8 μs. Hierdie benadering omseil die komplekse seinomsetting en -verwerking van tradisionele metodes deur die inherente elektriese kenmerke van die SiC MOSFET te gebruik, wat die akkuraatheid van foutopsporing aansienlik verbeter.

(2) Multi-doelwit Optimaliseerde Onderbrekingsstrategie
Om hoë-prestasie foutonderbreking in vaste-toestand-sirkuitbreekers te bereik, word onderbrekingstyd (Δt), energieabsorpsie (EMOV) en inrukkingsstroom (Ipeak) as doelfunksies gestel, en geoptimaliseer met 'n multi-doelwit partikelswarm-optimaliserings (MOPSO) algoritme. 'n Korter onderbrekingstyd bied beter beskerming vir stelseltoerusting; energieabsorpsie beïnvloed die keuse en leeftyd van beskermkomponente soos MOV's; oormatige inrukkingsstroom veroorsaak aansienlike elektriese spanning, wat normale toerustingbedryf beïnvloed.

Deur meervoudige iterasies van MOPSO-optimalisering, word optimale parameters bepaal: stroombeperkende induktor LB = 15 μH en MOV-spanningsbeperkingskoeffisiënt γ = 1,8. Met hierdie geoptimaliseerde parameters word die onderbrekingstyd verlaag tot 73,5 μs, en die maksimum stroom beperk tot 526 A. Om die optimaliseringseffect visueel te demonstreer, vergelyk die TOPSIS-besluitvormingsmetode resultate voor en na optimalisering. Die vergelyking wys aansienlike verbeteringe in sleutelaanwysers soos onderbrekingstyd, energieabsorpsie en inrukkingsstroom, wat die algemene prestasie grootliks verhoog en beter aan praktiese ingenieursvereistes vir vinnige en betroubare onderbreking deur vaste-toestand-sirkuitbreekers voldoen.

2.3 Hoëbetroubaarheids Mekaniese Struktuurontwerp
(1) Permanente Magneet Isolatorskakelaar
Om die betroubaarheid en stabiliteit van vaste-toestand-sirkuitbreekers te verbeter, word 'n permanente magneet isolatorskakelaar met 'n bistabiele permanente magneetmekanisme ontwerp. In hierdie struktuur word die houkrag vir sluiting en opening hoofsaaklik deur permanente magneete verskaf, met die spoel slegs momenteel geenergieer tydens skakeloperasies. Dit verminder kragverbruik met ongeveer 90% in vergelyking met tradisionele elektromagnetiese isolatorskakelaars. Adams dinamiese simulasieanalise wys dat die mekaniese leeftyd van hierdie permanente magneet isolatorskakelaar meer as 1 miljoen operasies oorskry, met 'n kontakverdelingspoed van 3 m/s. Die hoë kontakverdelingspoed verseker vinnige sirkuitonderbreking tydens foutopsporing, wat die moontlikheid van booggenerering verminder en die skakelaar se onderbrekingsvermoë verhoog. Die lang mekaniese leeftyd verseker stabiele prestasie oor 'n lang periode, wat instandhouding en vervanging frekwensie verminder, en dus sterk ondersteuning bied vir die doeltreffende bedryf van die vaste-toestand-sirkuitbreek.

(2) Termiese Bestuursoplossing
Om die warmteafvoer-uitdagings in hoë-kragdichtheid-ontwerpe aan te spreek, word 'n hibriede koeloplossing voorgestel wat verdampingskoeling saam met gedwonge lugkoeling kombineer. Verdampingskoeling maak gebruik van die beginsel van vloeistofverdamping wat warmte absorbeer, wat doeltreffende warmteoordrag in kompakte ruimtes moontlik maak. Gedwonge lugkoeling verhoog verdere warmteafvoer deur ventilatoregedrewe gedwonge konveksie. Hierdie hibriede koelmetode stabiliseer die moduul se warmtepuntstemperatuur onder 75°C, met 'n temperatuurstygtempo van minder as 5°C/min, wat standaardeise voldoen.III. Eksperimentele Verifikasie

3 Eksperimentele Verifikasie

3.1 Prototipe Parameters
Om die effektiwiteit van die kern tegnologie en ontwerpskemas te verifieer, is 'n prototipe van 'n lae-voltage DC vaste-toestand-sirkuitbreek ontwikkel, met die hoofparameters as volg:

3.2 Tipesoekresultate

Kompresiewe tipesoeke is op die prototipe uitgevoer om te evalueer of sy prestasie aan die vereistes vir praktiese toepassings voldoen:

(1) Kortsluit Onderbrekingstoets
Kortsluitfoute is een van die ergste foute in kragstelsels, en die enorme oombliklike stroom wat hulle genereer, stel 'n bedreiging vir toerustingbedryf. Om hierdie ekstreme toestand te simuleer, is 'n 23 kA kortsluitstroomtoetsomgewing opgestel—wat 'n streng uitdaging vir die vaste-toestand-sirkuitbreek stel. By die begin van die toets aktiveer die prototipe vinnig, en sy ingeboude vinnige foutopsporing en onderbrekingstegnologie begin funksioneer. Hierdie tegnologie, deur hoë-akkuraatheid stroommonitering en 'n vinnige reaksie-meganisme, het die abnormal stroom binne 'n baie kort tyd opgespoor en het onmiddellik die onderbrekingsproses getrig.

Tydens onderbreking het toetspersoneel die breek se prestasie nou gemonitor, en daar het geen boogherontbranding plaasgevind nie. Hierdie resultaat illustreer nie net die hoë doeltreffendheid van die vinnige foutopsporing en onderbrekingstegnologie nie, maar beklemtoon ook die vaste-toestand-sirkuitbreek se superieure onderbrekingsprestasie. In tradisionele sirkuitbreekers is boogherontbranding 'n moeilik te vermy probleem wat dikwels sekondere foute of selfs ernstige toerustingbeskadiging veroorsaak. Inteenwoordig sukkel die vaste-toestand-sirkuitbreek hierdie probleem suksesvol af deur gevorderde onderbrekingstegnieke, wat dus sterk ondersteuning bied vir die stabiele bedryf van kragstelsels.

(2) Temperatuurstygtoets
Termiese prestasie is 'n ander sleutelfaktor in die evaluering van vaste-toestand-sirkuitbreekers. Om die toestel se warmteafvoervermoë tydens verlengde bedryf doeltreffend te evalueer, is 'n temperatuurstygtoets uitgevoer. Die prototipe moes 24 uur kontinu bedryf, waarin aansienlike warmte gegenereer is [9]. Na die toets is temperatuursensore gebruik om die prototipe se temperatuur te meet. Die resultate het 'n temperatuurstyg van ΔT = 32 K gewys. Hierdie data bevestig die effektiwiteit van die hibriede koeloplossing wat verdampingskoeling saam met gedwonge lugkoeling kombineer. Deur die natuurlike warmteafvoerprinsip van verdampingskoeling met die gedwonge konveksie van gedwonge lugkoeling te integreer, dissipeer die stelsel die warmte wat tydens bedryf gegenereer word doeltreffend, wat verseker dat die toestel binne 'n aanvaarbare temperatuurbereik bly. Goede termiese bestuur verseker nie net die stabiele bedryf van die vaste-toestand-sirkuitbreek nie, maar verleng ook sy leeftyd.

(3) Leeftydstoets
Leeftyd is 'n kritiese aanwyser vir die bepaling of 'n vaste-toestand-sirkuitbreek wyd toegepas kan word in werklike kragstelsels. Daarom is, om sy leeftydprestasie te verifieer, die prototipe onderwerp aan 'n uithouendheidstoets van 'n miljoen operasiekringe. Tydens die toets het personeel die verandering in die kontakweerstand van die prototipe nou gemonitor. Na die toets is die kontakweerstand gemeet en gevind dat dit met minder as 5% verander het. Hierdie resultaat bevestig die effektiwiteit van die lang-leefdesontwerp van die permanente magneet isolatorskakelaar. Selfs na verlengde en gereelde operasies behou die skakelaarkontakke uitstekende geleidbaarheid, wat betroubare aan-en-af funksionaliteit van die vaste-toestand-sirkuitbreek verseker.

4 Gevolgtrekking
Tot slot bied hierdie artikel 'n tegniese oplossing vir lae-voltage DC vaste-toestand-sirkuitbreekers gebaseer op diepnavorsing van kern tegnologieë, insluitend optimalisering van wye-bandgap toestelle, intelligente beheeralgoritmes, en hoëbetroubaarheidsstruktuurontwerp. Eksperimentele verifikasie wys dat die ontwikkelde prototipe 'n vooraanstaande prestasie bereik in sleutelaanwysers soos onderbrekingsspoed, foutopsporingsakkuraatheid, en operasieleeftyd.

Dit realiseer suksesvol mikrosecondevlak vinnige onderbreking en 'n miljoen-operasiekringe leeftyd, wat 'n praktiese en haalbare oplossing bied vir beskerming in nuwe-energie kragverspreidingsstelsels. Kykende na die toekoms, is daar baie beloftevolle navorsingsrigtings vir lae-voltage DC vaste-toestand-sirkuitbreekers. Byvoorbeeld, die vestiging van 'n toestel-verpakking-stelselvlak geïntegreerde simulasie model kan die prestasie van vaste-toestand-sirkuitbreekers onder verskeie bedryfstoestande meer omvattend simuleer, wat meer akkurate teoretiese ondersteuning vir ontwerpsoptimalisering verskaf.