Ключови технологии на нисковолтовите DC твърди състоятелни прекъсвачи

1 Технически предизвикателства

1.1 Стабилност на паралелно свързване на устройства
В практически приложенията едно-единствено електронно устройство за управление на мощността има относително ограничен токопроводен капацитет. За да се отговори на изискванията за висок ток, често се използват няколко устройства, свързани паралелно. Обаче вариациите в параметрите между устройствата – като леки разлики в проводимостта и праговото напрежение – могат да доведат до неравномерно разпределение на тока при паралелна работа. По време на преходни процеси паразитната индуктивност и емкостта допълнително водят до несъответствие в скоростта на изменение на тока сред паралелните устройства, което засилва дисбаланса на тока. Ако този дисбаланс не бъде устранен навреме, той може да причини прекомерно загряване и отказ на определени устройства, което намалява жизнения цикъл на твърдото реле.

1.2 Забавяне в откриването на дефект
В DC системи характеристиките на тока при дефект се различават значително от тези в AC системи, тъй като липсват нулеви точки, които помагат в откриването и прекъсването на дефекта. Това изисква твърдите релета да използват алгоритми за откриване на дефекти на микросекунденско ниво, за да разпознаят точно дефектите и да реагират бързо. Традиционните методи за откриване на дефекти страдат от значителни забавяния при справяне с бързо променящите се токове при дефект в DC, което ги прави неспособни да удовлетворят изискванията за бърза защита.

1.3 Противоречие между охлаждане и обем
За да отговарят на изискванията на модерните системи за висока мощностна плътност, дизайнерските решения за твърди релета трябва да постигнат по-голяма мощностна обработка в ограничено пространство. Обаче по-високата мощностна плътност води до остър ръст на генерираното топло от електронните устройства. Недостатъчното охлаждане причинява прекомерно нагряване, което влошава функционирането на устройствата и потенциално започва термичен бяг и отказ на оборудването. Традиционните техники за охлаждане показват слабо изпълнение при твърди релета с висока мощностна плътност. Въпреки че течното охлаждане може да подобри ефективността на охлаждането, то увеличава размера и цената на оборудването. Ето защо как да се балансира ефективното охлаждане с разумно контролиран обем – постигайки синергично оптимизиране – остава ключов предизвикателство в дизайна на твърди релета.

2 Ключови технологии за изследване

2.1 Приложение на устройства с широка зона
(1) Избор и упаковка на SiC MOSFET
Сред различните устройства с широка зона, SiC MOSFET с ниски проводими загуби предлагат значителни предимства. За да се подобри техният перформанс в многократни паралелни приложения, се използва симетричен DBC (Direct Bonded Copper) монтаж. Този монтаж ефективно намалява паразитната индуктивност, която е важна за подобряване на характеристики на комутиране на устройствата. По време на комутиране, особено при изключване, взаимодействието между паразитната индуктивност и емкостта на устройствата причинява осцилации на напрежението на входа. Експериментални тестове показват, че с симетричен DBC монтаж, осцилациите на напрежението на входа при изключване могат да бъдат контролирани под 5%. Това не само подобрява динамичната стабилност при паралелна работа, но и намалява риска от повреда на устройствата, причинена от осцилация на напрежението.

(2) Динамично управление на разпределението на тока
За да се справи с предизвикателството на дисбаланса на тока в паралелни устройства, се въвежда стратегия за управление, комбинираща шина за разпределение на тока с адаптивно PI регулиране. Шината за разпределение на тока, чрез уникален конструктивен дизайн, предоставя балансиран път за разпределение на тока за всеки паралелен клон на физически ниво. На тази основа, адаптивен PI алгоритъм динамично коригира сигналите за управление на всяко устройство, базирайки се на реално наблюдение на тока в клоновете, постигайки по-точно управление на разпределението на тока.

2.2 Бързо откриване и прекъсване на дефекти
(1) Откриване на дефекти, основано на напрежението на входа
Анализът на характеристиките на SiC MOSFET при краткосрочен дефект показва, че при краткосрочен дефект напрежението между колектора и източника (VDS) бързо достига 900V, докато напрежението на входа значително намалява с наклон над 10 V/ns. Извършвайки се върху тази характеристика, се проектира двупрагов компаратор за бързо откриване на дефект, заделяйки два прага на тока: Ith1 = 500 A и Ith2 = 1.2 kA. Когато измереният ток надвиши Ith1, се активира предварително предупреждение; надвиждане на Ith2 указва потвърден краткосрочен дефект. Проектираната система за откриване и алгоритъм за обработка на сигнали постигат забавяне в откриването само 0.8 μs. Този подход избягва сложната конверсия и обработка на сигнали, използвайки вградените електрически характеристики на SiC MOSFET, значително подобрявайки точността на откриването на дефекти.

(2) Многоцелева оптимизирана стратегия за прекъсване
За да се постигне високоперформансно прекъсване на дефекти в твърдите релета, времето за прекъсване (Δt), абсорбираната енергия (EMOV) и пиковият ток (Ipeak) се заделят като целеви функции, оптимизирани чрез алгоритъм за многоцелева оптимизация на рояд частици (MOPSO). По-кратко време за прекъсване предоставя по-добра защита на системното оборудване; абсорбираната енергия влияе върху избора и продължителността на защитни компоненти като MOV; прекомерен пиков ток причинява значителен електрически стрес, влияещ върху нормалната работа на оборудването.

Чрез множество итерации на MOPSO оптимизацията, се определят оптимални параметри: ограничителна индуктивност LB = 15 μH и коефициент на ограничаване на напрежението на MOV γ = 1.8. Използвайки тези оптимизирани параметри, времето за прекъсване се намалява до 73.5 μs, а максималният ток е ограничен до 526 A. За визуализация на ефекта от оптимизацията, методът за принятие на решения TOPSIS сравнява резултатите преди и след оптимизация. Сравнението показва значителни подобрения в ключови показатели като времето за прекъсване, абсорбираната енергия и пиковият ток, значително подобрявайки общата производителност и по-добре отговаряйки на практическите изисквания за бързо и надеждно прекъсване от твърдите релета.

2.3 Дизайн на механична структура с висока надеждност
(1) Постоянно магнитно изолационно реле
За да се подобри надеждността и стабилността на твърдите релета, се проектира постоянно магнитно изолационно реле, използващо бистабилна постоянна магнитна механика. В тази структура, силата за задържане при затваряне и отваряне се предоставя главно от постоянните магнити, с катушката зареждана само за моменти по време на комутиране. Това намалява потреблението на енергия с около 90% в сравнение с традиционните електромагнитни изолационни релета. Анализът на динамиката с Adams показва, че механичният живот на това постоянно магнитно изолационно реле надхвърля 1 милион операции, със скорост на разделение на контактите 3 m/s. Високата скорост на разделение на контактите гарантира бързо откъсване на цепта при дефект, намалявайки вероятността за генериране на дъга и подобрявайки способността за прекъсване на релето. Дългият механичен живот осигурява стабилно функциониране при продължително използване, намалявайки честотата на поддръжката и замяната, предоставяйки силна подкрепа за ефективната работа на твърдите релета.

(2) Решение за управление на температурата
За да се справи с предизвикателствата в охлаждането на дизайни с висока мощностна плътност, се предлага хибридно решение за охлаждане, комбиниращо испарително охлаждане с принудително въздушно охлаждане. Испарителното охлаждане използва принципа на абсорбиране на топлина чрез испаряване на течност, позволявайки ефективен трансфер на топлина в компактни пространства. Принудителното въздушно охлаждане допълнително подобрява охлаждането чрез принудителна конвекция, изпълнена от вентилатор. Този хибридният метод за охлаждане стабилизира горещата точка на модула под 75°C, с темп на нарастване на температурата под 5°C/min, отговарящ на стандартните изисквания.III. Експериментално потвърждение

3 Експериментално потвърждение

3.1 Параметри на прототипа
За да се потвърди ефективността на ключовите технологии и дизайнерски решения, е разработен прототип на твърдо реле за нисковолтов DC, с основните параметри както следва:

3.2 Резултати от типовите тестове

Комплексни типови тестове са проведени върху прототипа, за да се оценят дали неговите характеристики отговарят на изискванията за практически приложения:

(1) Тест за прекъсване на краткосрочен дефект
Краткосрочните дефекти са сред най-сериозните видове дефекти в електроенергийните системи, и огромните мигновени токове, които те генерират, представляват значителна заплаха за функционирането на оборудването. За да се симулира това екстремно състояние, е установена тестова среда с 23 kA краткосрочен ток – поставяща строги изпитания пред твърдото реле. В началото на теста, прототипът бързо активира, и неговата вградена технология за бързо откриване и прекъсване на дефектите започва да функционира. Тази технология, чрез високоточно наблюдение на тока и бърз механизъм за реакция, разпознава аномалния ток в изключително кратко време и незабавно активира процеса на прекъсване.

По време на прекъсването, персоналът, наблюдаващ теста, внимателно следи производителността на релето, и през целия процес не се наблюдава повторно възгаряне на дъга. Този резултат не само демонстрира високата ефективност на технологията за бързо откриване и прекъсване на дефекти, но и подчертава отличната производителност на твърдото реле при прекъсване. В традиционните релета, повторното възгаряне на дъга е трудноизбегаем проблем, често водещ до вторични дефекти или дори сериозни повреди на оборудването. В сравнение, твърдото реле успешно избягва този проблем чрез напреднали техники за прекъсване, предоставяйки силна подкрепа за стабилната работа на електроенергийните системи.

(2) Тест за нарастване на температурата
Термичната производителност е друг ключов фактор при оценката на твърдите релета. За да се оцени ефективно способността на устройството за охлаждане при продължителна работа, е проведен тест за нарастване на температурата. Прототипът трябва да работи непрекъснато в продължение на 24 часа, по време на които се генерира значително количество топлина [9]. След теста, датчици за температура се използват за измерване на температурата на прототипа. Резултатите показват нарастване на температурата ΔT = 32 K. Тези данни потвърждават ефективността на хибридното решение за охлаждане, комбиниращо испарително охлаждане и принудително въздушно охлаждане. Чрез интеграцията на естествения принцип за охлаждане чрез испаряване и принудителната конвекция, системата ефективно разсейва генерираната топлина, гарантирайки, че устройството остава в приемлив диапазон на температура. Добра термична управляемост не само осигурява стабилна работа на твърдото реле, но и удължава неговия срок на полезност.

(3) Тест за срок на полезност
Срокът на полезност е ключов показател за определянето дали твърдото реле може да бъде широко приложено в реални електроенергийни системи. Затова, за да се потвърди неговата производителност, прототипът е подложен на тест за издръжливост на един милион операции. През целия тест, персоналът внимателно наблюдава промените в контактното съпротивление на прототипа. След теста, контактното съпротивление е измерено и се установява, че е променено с по-малко от 5%. Този резултат потвърждава ефективността на дългосрочния дизайн на постоянно магнитното изолационно реле. Дори след продължителна и честа работа, контактите на релето поддържат отлична проводимост, осигурявайки надеждна функция за включване и изключване на твърдото реле.

4 Заключение
Обобщавайки, тази статия представя техническо решение за твърди релета за нисковолтов DC, базирано на дълбоко изследване на ключови технологии, включително оптимизация на устройства с широка зона, интелигентни алгоритми за управление и дизайн на висока надеждност. Експерименталното потвърждение показва, че разработеният прототип постига водеща производителност по ключови показатели като бързина на прекъсване, точност на откриване на дефекти и срок на полезност.

Успешно се реализира микросекунденско бързо прекъсване и срок на полезност от един милион операции, предоставяйки практично и изпълнимо решение за защита в системи за разпределение на енергия от възобновяеми източници. В бъдеще, има много обещаващи насоки за изследване за твърди релета за нисковолтов DC. Например, създаването на интегрирана симулационна модель на ниво устройство-упаковка-система може да моделира по-комплексно производителността на твърдите релета при различни условия на работа, предоставяйки по-точна теоретична подкрепа за оптимизация на дизайна.