Niz Dəqiqli DC Solid Çərçivələri üçünƏsas Texnologiyalar

1 Texniki çətinliklər

1.1 Qurğuların paralel şəkildə işləməsi prosesindəki stabilitət
Praktiki tətbiqlərdə, yeganə elektron qurğun enerji daşıma qabiliyyəti nisbətən məhduddur. Böyük dərəcəli enerji tələbləri üçün bir neçə qurğu adətən paralel şəkildə birləşdirilir. Amma, qurğular arasındakı parametr fərqləri - məsələn, açma direnci və eşiği arasında kiçik fərqlər - paralel işləmə zamanı dəqiq enerji paylaşmasını zədələyir. Kəskin dəyişiklik zamanı, parazit induktansiya və kapasitans paralel qurğular arasında enerjinin dəyişmə sürətinin ümumi olaraq müxtəlif olması səbəbindən, enerjinin paylanması daha da çətinləşir. Bu dengesizlik həll edilməzse, məhdud sayda qurğular aşırı istidə səbəbindən əldən gələ bilər və bu, qalıbların xidmət müddətini azaldacaqdır.

1.2 Səhv tespiti gecikməsi
DC sistemlərində, səhv enerjisi xüsusiyyətləri AC sistemlərdən fərqli olub və sıfır keçidi nöqtələri səhvlərin tespit və kəsilməsində kömək etmir. Bu, solid-state circuit breakers-in mikrosaniye səviyyəsində səhv tespit alqoritmlərini tətbiq etməsinə səbəb olur. Gəmişən səhv tespit metodları DC səhv enerjisinin tez dəyişməsi ilə bağlı ciddi gecikmələrə səbəb olur və bu, tez himayə tələblərinə cavab verə bilmir.

1.3 İstifadəsi və həcmi arasındakı münasibət
Modern enerji sistemlərinin yüksək enerji sıxlığı tələblərini ödəmək üçün, solid-state circuit breaker dizaynı, məhdud sahada daha böyük enerji daşıma qabiliyyətinə malik olmalıdır. Amma, daha yüksək enerji sıxlığı, elektron qurğular tərəfindən yaratılan istidənin ciddi artımına səbəb olur. Yetersiz istifadə, istidənin artmasına səbəb olur, bu da qurğun işləməsini pozulyon və potensial olaraq termal runav və qurğun arıqlamasına səbəb olur. Adi soğutma texnologiyaları, yüksək enerji sıxlığı olan solid-state circuit breakers-ə uyğun deyil. Sıvı soğutma, istifadə effektivliyini artırır, amma qurğun həcmi və qiyməti artır. Nəticədə, effektiv soğutmanın və münasib həcm kontrolünün birgə optimallaşdırılması, solid-state circuit breaker dizaynında əsas çətinliyin biri qalır.

2 Əsas texnologiya araşdırmaları

2.1 Geniş band qapı qurğusu tətbiq texnologiyası
(1) SiC MOSFET seçimi və paketlənməsi
Birdən çox geniş band qapı qurğusu arasında, düşük dəhliz zədəli SiC MOSFET-lər əlavə üstünlük təqdim edir. Onların multi-qurğu paralel tətbiqində performansını artırmaq üçün simmetrik DBC (Direct Bonded Copper) strukturu tətbiq olunur. Bu struktur, parazit induktansiyanı azaltmaqla, qurğun dəyişiklik xüsusiyyətlərini yaxşılaşdırmaqda əhəmiyyətli rol oynayar. Dəyişiklik zamanı, xüsusən də kəsildikdə, parazit induktansiya və qurğun kapasitansı arasındakı interaksiya, qapı voltajının titreməsinə səbəb olur. Təcrübəvi testlər göstərir ki, simmetrik DBC strukturu ilə, kəsildikdə qapı voltajının titreməsi 5% altında qalır. Bu, paralel işləmə zamanı dinamik stabillikləri artırır və voltaj titreməsi səbəbindən qurğun zədələnmə riskini azaldır.

(2) Dinamik enerji paylaşma idarəetməsi
Paralel qurğularda enerji paylaşma çətinliyini həll etmək üçün, enerji paylaşma şinası və adaptiv PI regulasiya kombinasiyası təklifi olunur. Enerji paylaşma şinası, unikal struktur vasitəsilə, fiziki səviyyədə hər bir paralel şuə üçün balanslı enerji dağılım yolunu təmin edir. Bu əsasda, adaptiv PI regulasiya alqoritmi, şuə enerjilerinin real vaxtla izlənməsinə əsaslanaraq, hər bir qurğun sürüş signalını dinamik olaraq ayarlayır, daha dəqiq enerji paylaşma idarəetməsini təmin edir.

2.2 Tez səhv tespiti və kəsilmə texnologiyası
(1) Qapı voltajına əsaslanan səhv tespiti
SiC MOSFET short-circuit xüsusiyyətlərinin təhlili göstərir ki, short-circuit səhvinə gedərkən, drain-source voltajı (VDS) tez 900V-a çatır, amma qapı voltajı 10 V/ns-dən çox olan miktarda endir. Bu xüsusiyyətdən istifadə edərək, tez səhv tespiti üçün iki mərhələli müqayisə qurğu tətbiq olunur, iki enerji limiti təyin olunur: Ith1 = 500 A və Ith2 = 1.2 kA. Təsadüfi enerji Ith1-i aşdıqda, ilk xəbərdarlıq aktiv olunur; Ith2-i aşdıqda, təsdiqlənmiş short-circuit səhvi təsdiqlənir. Tərtib olunan tespit qurğu və signal emal alqoritmi, təsadüfi səhvin tespitində yalnız 0.8 μs gecikməni təmin edir. Bu üsul, adi metodların mürəkkəb signal dəyişikliyi və emalını atlataraq, SiC MOSFET-nin əsas elektrik xüsusiyyətlərindən istifadə edərək, səhv tespit doğruluğunu ciddi şəkildə artırır.

(2) Çox məqsədli optimallaşdırılmış kəsilmə strategiyası
Solid-state circuit breakers-in yüksək performanslı səhv kəsməsi üçün, kəsilmə vaxtı (Δt), enerji emal (EMOV) və pike enerji (Ipeak) məqsəd funksiyaları kimi təyin olunur və çox məqsədli parçacık sürü alqoritmi (MOPSO) vasitəsilə optimallaşdırılır. Qısası kəsilmə vaxtı, sistem qurğuları üçün daha yaxşı himayə təmin edir; enerji emal, MOV kimi himaya qurğularının seçimi və ömürlüyünü təsir edir; çox pike enerji, normal qurğu işləməsinə ciddi elektrik stress təsir edir.

MOPSO optimallaşdırmasının bir neçə iterasiyası vasitəsilə, optimal parametrlər belirlənir: enerji limiti indüktorsu LB = 15 μH və MOV voltaj limiti kofitsiyenti γ = 1.8. Bu optimallaşdırılmış parametrlərlə, kəsilmə vaxtı 73.5 μs-ə azalır və maksimum enerji 526 A-yə məhdudlaşdırılır. Optimallaşdırma effektini vizual təsvir etmək üçün, TOPSIS qərar qəbul metodu, optimallaşdırmadan əvvəl və sonra nəticələri müqayisə edir. Müqayisə, kəsilmə vaxtı, enerji emal və pike enerji kimi əsas göstəricilərdə ciddi yaxşılaşmaları göstərir, bu da solid-state circuit breakers-in tez və etibarlı kəsmə tələblərinə daha yaxşı cavab verməsini təmin edir.

2.3 Yüksək etibarlılıq mekanik struktura dizaynı
(1) Daimi maqna isolatoru
Solid-state circuit breakers-in etibarlılığını və stabilliyini artırmaq üçün, daimi maqna mekanizmindən istifadə edən daimi maqna isolatoru dizayn olunur. Bu strukturda, bağlanma və açma qüvvəsi əsasən daimi maqnalardan təmin olunur, sadece dəyişiklik zamanı bobin enerji alır. Bu, adi elektromaqnit isolatorlardan nisbətən enerji istifadəsini təxminən 90%-ə azaldır. Adams dinamik simulasiya analizi göstərir ki, bu daimi maqna isolatorunun mekanik ömrü 1 milyon dəfə ətrafındadır, kontakt ayırma sürəti 3 m/s-dir. Yüksək kontakt ayırma sürəti, səhv zamanı tez şəkildə şəbəkənin kəsimini təmin edir, bu da elektrik yayılmanın yaranması ehtimalını azaldır və anahtarın kəsilmə qabiliyyətini artırır. Uzun mekanik ömr, uzun müddət istifadə zamanı stabil performans təmin edir, təkmillik və zamanaq frekvansını azaldır, bu da solid-state circuit breaker-in etibarlı işləməsinə güclü dəstək təmin edir.

(2) Termal idarəetmə həlli
Yüksək enerji sıxlığı dizaynlarında istifadə problemlərini həll etmək üçün, buharlaşdırma soğutması və zorlu havalandırma kombinasiyasından ibarət hibridden soğutma həlli təklifi olunur. Buharlaşdırma soğutması, sıvının buharlaşması ilə istidənə imalat prinsipindən istifadə edərək, kompakt sahada effektiv istidə transferi təmin edir. Zorlu havalandırma, ventilatorlar vasitəsilə zorlu konveksiya ilə istifadəni daha da artırır. Bu hibridden soğutma üsulu, modulun istidə nöqtəsini 75°C altına sabitləyir, istidə artım sürəti 5°C/dəqdan aşağıdır, standart tələblərə cavab verir.III. Təcrübəvi təsdiq

3 Təcrübəvi təsdiq

3.1 Prototip parametrləri
Əsas texnologiyaların və dizayn şemalarının effektivliyini təsdiq etmək üçün, asagı voltajlı DC solid-state circuit breaker prototipi hazırlanmışdır, əsas parametrləri aşağıdakı kimi dir:

3.2 Tip test nəticələri

Prototipin performansının praktiki tətbiqlər üçün tələblərə uyğunluğunu qiymətləndirmək üçün, ona komples tip testləri icra edilmişdir:

(1) Short-Circuit Interruption Test
Kısa devre səhvləri, enerji sistemlərində ən ciddi səhv növlərindən biridir və onların yaradığı ədədi anlık enerji, qurğuların işləməsinə ciddi təhlükə yaradır. Bu aşırı şəraiti simule etmək üçün, 23 kA kısa devre enerji test ortamı yaradılmışdır—bu, solid-state circuit breaker-ə ciddi bir test təklif edir. Testin başlanğıcında, prototip tez aktivləşir və onun içindəki tez səhv tespit və kəsilmə texnologiyası işləməyə başlayır. Bu texnologiya, yüksək dəqiqlikli enerji izləmə və tez cavab mekanizmi vasitəsilə, çox qısa müddətdə abnormal enerjiyi aşkar edir və dərhal kəsilmə prosesini aktivləşdirir.

Kəsilmə zamanı, test personelu, anahtarın performansını yaxşı şəkildə izləyir və proses boyunca heç bir elektrik yayılış yenidən yandırılmır. Bu nəticə, tez səhv tespit və kəsilmə texnologiyasının yüksək effektivliyini göstərir və solid-state circuit breaker-in üstün kəsilmə performansını da nəzərə alır. Adi circuit breakers-də, elektrik yayılış yenidən yandırılması, çox vaxt çətin qarşılanan bir problemdir və bu, ikinci səhvlərə və hətta ciddi qurğu arıqlamasına səbəb olur. Mütəxəssis solid-state circuit breaker, bu problemi inkişaf etdirilmiş kəsilmə texnologiyası ilə uğurla həll edir, bu da enerji sistemlərinin istiqrarlı işləməsinə güclü dəstək təmin edir.

(2) Temperatur yüksəlmə testi
Termal performans, solid-state circuit breakers-in qiymətləndirilməsində bir başqa əsas faktordur. Uzun müddət işləmə zamanı qurğun istifadə qabiliyyətini effektiv şəkildə qiymətləndirmək üçün, temperatur yüksəlmə testi icra edilmişdir. Prototipa 24 saat davamlı işləmə tələb edilmişdir, bu zaman istidə yaradılmışdır [9]. Testin sonunda, temperatur sensörleri ilə prototipin temperaturu ölçülür. Nəticələr göstərir ki, ΔT = 32 K olan temperatur yüksəlməsi alınmışdır. Bu verilər, buharlaşdırma soğutması və zorlu havalandırmanın hibridden soğutma həllinin effektivliyini təsdiq edir. Buharlaşdırma soğutmasının natural istifadə prinsibi və zorlu havalandırmanın zorlu konveksiya ilə birgə, sistem, işləmə zamanı yaradılan istidəni effektiv şəkildə təmizləyir və qurğun qəbul edilə bilən temperatur aralığında saxlanır. Yaxşı termal idarəetmə, solid-state circuit breaker-in istiqrarlı işləməsini təmin edir və onun ömrünü uzadır.

(3) Ömür testi
Ömür, solid-state circuit breaker-in real enerji sistemlərində geniş tətbiq edilə biləcəyini müəyyən edən əsas göstəricidir. Bu səbəbdən, onun ömür performansını təsdiq etmək üçün, prototip bir milyon dəfə işləmə testindən keçirilib. Testin tamamı boyunca, personel prototipin kontakt direncindəki dəyişiklikləri yaxşı şəkildə izləyib. Testin sonunda, kontakt direnci ölçülüb və 5%-dən az dəyişiklik aşkar edilmişdir. Bu nəticə, daimi maqna isolatorunun uzun ömürlü dizaynının effektivliyini təsdiq edir. Uzun müddət və tez-tez işləmələrə baxmayaraq, kontaktlar yaxşı şəkildə qalıcılıq göstərir, bu da solid-state circuit breaker-in etibarlı açma və bağlama funksiyasını təmin edir.

4 Nəticə
Ümumiyyətlə, bu məqalə, geniş band qapı qurğusu, intellektual idarəetmə alqoritmləri və yüksək etibarlılıq struktur dizaynının əsas texnologiyalarını süzgün araşdırmış və asağı voltajlı DC solid-state circuit breakers üçün texniki həll təklif etmişdir. Təcrübəvi təsdiqlər göstərir ki, hazırlanmış prototip, kəsilmə sürəti, səhv tespit doğruluğu və işləmə ömrü kimi əsas göstəricilərdə lider performansı göstərir.

Bu, mikrosaniye səviyyəsində tez kəsilmə və bir milyon dəfə işləmə ömrünü uğurla təmin edir, yeni enerji dağıtım sistemlərində koruma üçün praktik və mümkün həll təklif edir. Gelecek perspektivlərə baxıldığında, asağı voltajlı DC solid-state circuit breakers üçün bir çox umutverici araşdırmalar var. Məsələn, qurğu-paket-sistem səviyyəsində birləşdirilmiş simulasiya modeli yaratmaq, solid-state circuit breakers-in müxtəlif işləmə şəraitindəki performansını daha kompleks şəkildə simule edə bilər, bu da dizayn optimallaşdırması üçün daha dəqiq teorik dəstək təmin edə bilər.