التكنولوجيات الرئيسية لقواطع الدائرة الصلبة ذات التيار المستمر والجهد المنخفض

1 التحديات التقنية

1.1 استقرار توازي الأجهزة
في التطبيقات العملية، تكون قدرة تحمل التيار لأجهزة الإلكترونيات القوية الفردية محدودة نسبياً. لمواجهة متطلبات التيار العالي، يتم غالباً ربط عدة أجهزة بالتوازي. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الاختلاف في المعلمات بين الأجهزة - مثل اختلافات طفيفة في مقاومة التوصيل وفولتية العتبة - إلى توزيع غير متساوٍ للتيار أثناء التشغيل بالتوازي. خلال التحويلات التبديلية، يؤدي الحث الطفيلي والقدرة الكهربائية إلى تغير معدلات التيار بشكل غير متساوٍ بين الأجهزة المتوازية، مما يزيد من عدم توازن التيار. إذا لم يتم معالجة هذا عدم التوازن بسرعة، فقد يتسبب في ارتفاع درجة حرارة بعض الأجهزة وإخفاقها بسبب التيار الزائد، مما يقلل من عمر الخدمة للكسر الكهربائي الثابت.

1.2 تأخير كشف الأعطال
في الأنظمة المستقيمة، تختلف خصائص تيار العطل بشكل كبير عن الأنظمة البديلة، حيث لا تحتوي على نقاط الصفر التي تساعد في كشف الأعطال والانقطاع. وهذا يتطلب من الكسور الكهربائية الثابتة استخدام خوارزميات كشف الأعطال بمستوى الميكروثانية لتحديد الأعطال بدقة والاستجابة بسرعة. تعاني الطرق التقليدية لكشف الأعطال من تأخير كبير عند التعامل مع تيارات عطل مستقيمة تتغير بسرعة، مما يجعلها غير قادرة على تلبية متطلبات الحماية السريعة.

1.3 التناقض بين التبريد والحجم
للتغلب على الطلب الحديث لنظم الطاقة على الكثافة القوية العالية، يجب أن تحقق تصاميم الكسور الكهربائية الثابتة قوة أكبر ضمن مساحة محدودة. ومع ذلك، تؤدي الكثافة القوية العالية إلى زيادة حادة في الحرارة المولدة بواسطة أجهزة الإلكترونيات القوية. يؤدي التبريد غير الكافي إلى ارتفاع درجات الحرارة بشكل زائد، مما يقلل من أداء الجهاز وقد يؤدي إلى الانطلاق الحراري وإخفاق المعدات. تعمل تقنيات التبريد التقليدية بشكل ضعيف مع الكسور الكهربائية الثابتة ذات الكثافة القوية العالية. بينما يمكن أن يحسن التبريد السائل كفاءة التبريد، فإنه يزيد من حجم وتكلفة المعدات. وبالتالي، يبقى كيفية تحقيق التوازن بين التبريد الفعال والتحكم المعقول في الحجم - لتحقيق التحسين التعاوني - تحدياً رئيسياً في تصميم الكسور الكهربائية الثابتة.

2 دراسة التكنولوجيا الرئيسية

2.1 تقنية تطبيق الأجهزة ذات الفجوة العريضة
(1) اختيار وتغليف SiC MOSFET
من بين العديد من الأجهزة ذات الفجوة العريضة، توفر SiC MOSFET ذات خسائر التوصيل المنخفضة مزايا كبيرة. لتعزيز أدائها في التطبيقات المتعددة للأجهزة المتوازية، يتم استخدام تخطيط DBC متماثل. هذا التخطيط يقلل بشكل فعال من الحث الطفيلي، وهو أمر حاسم لتحسين خصائص التبديل للجهاز. أثناء التبديل، خاصة عند الإطفاء، يسبب التفاعل بين الحث الطفيلي وقابلية الجهاز للشحن تذبذب الجهد البوابة. تظهر الاختبارات التجريبية أنه مع تخطيط DBC المتماثل، يمكن السيطرة على تذبذب جهد البوابة عند الإطفاء ليكون أقل من 5٪. وهذا ليس فقط يحسن الاستقرار الديناميكي أثناء التشغيل بالتوازي، ولكنه أيضاً يقلل من خطر تلف الجهاز الناجم عن تذبذب الجهد.

(2) التحكم في مشاركة التيار الديناميكي
لحل تحدي عدم توازن التيار في الأجهزة المتوازية، يتم تقديم استراتيجية تحكم تجمع بين حافلة مشاركة التيار والتنظيم PI التكيفي. من خلال تصميم هيكلي فريد، توفر حافلة مشاركة التيار مسار توزيع تيار متوازن لكل فرع متوازي على المستوى الفيزيائي. على أساس هذا، يقوم خوارزمية التنظيم PI التكيفي بتغيير إشارات الدفع لكل جهاز بشكل ديناميكي بناءً على مراقبة الوقت الحقيقي لتيارات الفروع، مما يحقق تحكمًا أكثر دقة في مشاركة التيار.

2.2 تقنية الكشف السريع عن الأعطال والانقطاع
(1) كشف الأعطال بناءً على جهد البوابة
تحليل خصائص عطل SiC MOSFET يوضح أن خلال عطل قصير، يرتفع الجهد Drain-Source (VDS) بسرعة إلى 900V بينما ينخفض جهد البوابة بشكل كبير بمعدل يتجاوز 10 V/ns. باستخدام هذه الخاصية، تم تصميم مقارن ثنائي العتبة لكشف العطل السريع، حيث تم تحديد عتبتين للتيار: Ith1 = 500 A و Ith2 = 1.2 kA. عندما يتجاوز التيار المكتشف Ith1، يتم تشغيل تحذير أولي؛ أما تجاوز Ith2 فيشير إلى وجود عطل قصير مؤكد. يحقق الدائرة المكتشفة وخوارزمية معالجة الإشارة تأخيراً في الكشف يبلغ فقط 0.8 μs. هذا النهج يستخدم خصائص الكهربائية الأساسية لـ SiC MOSFET، مما يتجاوز التحويل المعقد والإعداد للإشارات في الطرق التقليدية، ويحسن بشكل كبير دقة كشف الأعطال.

(2) استراتيجية الانقطاع المُثلى متعددة الأهداف
لتحقيق انقطاع عالي الأداء للأعطال في الكسور الكهربائية الثابتة، يتم تحديد وقت الانقطاع (Δt)، واستيعاب الطاقة (EMOV)، والتيار الذروة (Ipeak) كدوال هدف، وتحسينها باستخدام خوارزمية أمثلة سرب الجسيمات متعددة الأهداف (MOPSO). يوفر وقت الانقطاع الأقصر حماية أفضل للمعدات النظامية؛ يؤثر استيعاب الطاقة على اختيار وعمر المكونات الواقية مثل MOVs؛ يسبب التيار الذروة الزائد ضغطاً كهربائياً كبيراً، مما يؤثر على عمل المعدات العادية.

من خلال العديد من التكرارات لتحسين MOPSO، تم تحديد المعلمات الأمثل: مكثف التقييد LB = 15 μH ومعامل حدود الجهد γ = 1.8. باستخدام هذه المعلمات المحسنة، تم تقليل وقت الانقطاع إلى 73.5 μs، وتم تقييد التيار الأقصى إلى 526 A. لتقديم توضيح بصري لتأثير التحسين، يستخدم طريقة اتخاذ القرار TOPSIS لمقارنة النتائج قبل وبعد التحسين. تظهر المقارنة تحسينات كبيرة في المؤشرات الرئيسية مثل وقت الانقطاع واستيعاب الطاقة والتيار الذروة، مما يعزز الأداء العام ويتناسب بشكل أفضل مع متطلبات الهندسة العملية للانقطاع السريع والموثوق به بواسطة الكسور الكهربائية الثابتة.

2.3 تصميم هيكل ميكانيكي عالي الموثوقية
(1) مفتاح العزل المغناطيسي الدائم
لتحسين موثوقية واستقرار الكسور الكهربائية الثابتة، تم تصميم مفتاح عزل مغناطيسي دائم يستخدم آلية ثنائية الاستقرار المغناطيسية الدائمة. في هذا الهيكل، يتم توفير القوة اللازمة لإغلاق وفتح المفتاح بشكل أساسي بواسطة المغناطيس الدائمة، مع تنشيط ملف الكهربائي فقط لفترة قصيرة أثناء عمليات التبديل. هذا يقلل من استهلاك الطاقة بنسبة حوالي 90٪ مقارنة بالمفاتيح العازلة الكهرومغناطيسية التقليدية. تظهر تحليلات المحاكاة الديناميكية Adams أن عمر المفتاح العازل المغناطيسي الدائم يتجاوز مليون عملية، وبسرعة فصل اتصال تبلغ 3 م/ث. تضمن سرعة الفصل العالية القطع السريع للدائرة عند حدوث عطل، مما يقلل من احتمالية تكوين القوس الكهربائي ويعزز قدرة المفتاح على الانقطاع. العمر الميكانيكي الطويل يضمن الأداء المستقر على مدى فترة طويلة من الاستخدام، مما يقلل من الحاجة للصيانة والاستبدال، وبالتالي يوفر دعمًا قويًا لعملية الكسور الكهربائية الثابتة بكفاءة.

(2) حل إدارة الحرارة
لحل تحديات التبريد في التصاميم ذات الكثافة القوية العالية، تم اقتراح حل تبريد مدمج يجمع بين التبريد بالتبخر والتبريد القسري بالهواء. يستخدم التبريد بالتبخر مبدأ امتصاص الحرارة بواسطة التبخر السائل، مما يسمح بنقل الحرارة بكفاءة في المساحات الضيقة. يعزز التبريد القسري بالهواء التبريد من خلال الحمل القسري بالهواء بواسطة المروحة. تثبت هذه الطريقة المدمجة لدرجة الحرارة الساخنة للمodule تحت 75°C، بمعدل ارتفاع درجة الحرارة أقل من 5°C/دقيقة، مما يتوافق مع المتطلبات القياسية.III. التحقق التجريبي

3 التحقق التجريبي

3.1 معلمات النموذج الأولي
للتحقق من فعالية التقنيات الرئيسية وخطط التصميم، تم تطوير نموذج أولي لكسر كهربائي ثابت منخفض الجهد مستقيم، مع المعلمات الرئيسية التالية:

3.2 نتائج الاختبار النوعي

أجريت اختبارات شاملة نوعية على النموذج الأولي لتقييم ما إذا كان أداؤه يلبي متطلبات التطبيقات العملية:

(1) اختبار الانقطاع القصير
تعتبر أعطال القصر من بين أنواع الأعطال الأكثر خطورة في أنظمة الطاقة، والتيار الفوري الهائل الذي تولده يشكل تهديداً كبيراً لعمل المعدات. لمحاكاة هذه الظروف القصوى، تم إنشاء بيئة اختبار بتيار قصر يبلغ 23 kA - مما يشكل تحدياً صعباً للكسر الكهربائي الثابت. عند بداية الاختبار، تم تفعيل النموذج الأولي بسرعة، وبدأ تقنية الكشف السريع عن الأعطال والانقطاع المدمجة في العمل. من خلال مراقبة التيار بدقة عالية وآلية استجابة سريعة، تم اكتشاف التيار غير الطبيعي في وقت قصير جداً وتم تشغيل عملية الانقطاع فوراً.

خلال الانقطاع، شاهد فريق الاختبار أداء الكسر الكهربائي، ولم يحدث إعادة تكوين قوس كهربائي خلال العملية. هذا النتيجة لا تظهر فقط كفاءة عالية لتقنية الكشف السريع عن الأعطال والانقطاع، ولكنها أيضاً تؤكد على أداء الانقطاع المتميز للكسر الكهربائي الثابت. في الكسور الكهربائية التقليدية، يعتبر إعادة تكوين القوس الكهربائي مشكلة صعبة التفادي غالبًا ما يؤدي إلى أعطال ثانوية أو حتى تلف شديد للمعدات. بالمقارنة، يتجنب الكسر الكهربائي الثابت هذه المشكلة من خلال تقنيات الانقطاع المتقدمة، مما يوفر دعمًا قويًا لعمل أنظمة الطاقة بشكل مستقر.

(2) اختبار ارتفاع درجة الحرارة
الأداء الحراري هو عامل آخر مهم لتقييم الكسور الكهربائية الثابتة. لتقدير قدرة الجهاز على التبريد أثناء التشغيل المستمر، تم إجراء اختبار ارتفاع درجة الحرارة. تم تشغيل النموذج الأولي لمدة 24 ساعة متواصلة، حيث تم إنتاج كمية كبيرة من الحرارة [9]. بعد الاختبار، تم استخدام أجهزة استشعار الحرارة لقياس درجة حرارة النموذج الأولي. أظهرت النتائج ارتفاع درجة الحرارة ΔT = 32 K. تؤكد هذه البيانات على فعالية الحل المدمج للتبريد بالتبخر والتبريد القسري بالهواء. من خلال دمج مبدأ التبريد الطبيعي للتبخر مع الحمل القسري بالهواء، يتم تبريد الحرارة المنتجة أثناء التشغيل بكفاءة، مما يضمن أن الجهاز يظل ضمن نطاق درجة حرارة مقبول. إدارة الحرارة الجيدة لا تضمن فقط التشغيل المستقر للكسر الكهربائي الثابت، بل تزيد أيضًا من عمره الافتراضي.

(3) اختبار العمر
يعتبر العمر أحد المؤشرات الحاسمة لتحديد ما إذا كان يمكن تطبيق الكسر الكهربائي الثابت على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الحقيقية. لذلك، للتحقق من أداء العمر، خضع النموذج الأولي لاختبار صمود لعدد مليون دورة تشغيل. خلال الاختبار، شاهد الفريق تغيرات مقاومة الاتصال للنموذج الأولي. بعد الاختبار، تم قياس مقاومة الاتصال ووجد أنها تغيرت بأقل من 5٪. تؤكد هذه النتيجة على فعالية تصميم المفتاح العازل المغناطيسي الدائم طويل العمر. حتى بعد التشغيل الطويل والمتكرر، تظل اتصالات المفتاح موصلة بشكل ممتاز، مما يضمن الوظيفة الموثوقة للتشغيل والإيقاف للكسر الكهربائي الثابت.

4 خاتمة
بشكل عام، يقدم هذا البحث حل تقني لكسور كهربائية ثابتة منخفضة الجهد مستقيمة بناءً على دراسة متعمقة للتكنولوجيا الرئيسية، بما في ذلك تحسين الأجهزة ذات الفجوة العريضة، وخوارزميات التحكم الذكي، وتصميم الهيكل عالي الموثوقية. أظهر التحقق التجريبي أن النموذج الأولي المطور حقق أداءً متميزًا في المؤشرات الرئيسية مثل سرعة الانقطاع ودقة كشف الأعطال وعمر التشغيل.

حقق بنجاح انقطاع سريع بمستوى الميكروثانية وعمر تشغيل يبلغ مليون دورة، مما يوفر حلًا عمليًا وقابلًا للتطبيق لحماية أنظمة توزيع الطاقة الجديدة. في المستقبل، هناك العديد من الاتجاهات الواعدة للبحث حول كسور كهربائية ثابتة منخفضة الجهد مستقيمة. على سبيل المثال، يمكن إنشاء نموذج محاكاة متكامل على مستوى الجهاز والتغليف والنظام لمحاكاة الأداء الشامل للكسور الكهربائية الثابتة في ظروف التشغيل المختلفة، مما يوفر دعمًا نظريًا أكثر دقة لتحسين التصميم.