Tecnologies Clau dels Interruptors de Circuit d'Estat Sòlid a CC de Baixa Tensió

1 Desafíos Tècnics

1.1 Estabilitat de la connexió en paral·lel dels dispositius
En les aplicacions pràctiques, la capacitat de portar corrent d'un sol dispositiu electrònic de potència és relativament limitada. Per satisfer els requisits de corrent elevada, sovint es connecten diversos dispositius en paral·lel. Tanmateix, les variacions entre els paràmetres dels dispositius—com ara petites diferències en la resistència a l'encès i el voltatge de llindar—poden causar una distribució desigual de la corrent durant l'operació en paral·lel. Durant els transients de commutació, la inductància i capacitància parasitàries provoquen canvis de corrent inconsistent entre els dispositius en paral·lel, agravant la desigualtat de la corrent. Si no es resol a temps, aquesta desigualtat pot fer que alguns dispositius superescalfin i fallin per excés de corrent, reduint la vida útil del circuit tancat d'estat sòlid.

1.2 Retard en la detecció de falles
Els sistemes de corrent contínua (CC) tenen característiques de corrent de falla significativament diferents als sistemes de corrent alternada (CA), sense punts de creu zero que ajudin a la detecció i interrupció de falles. Això requereix que els interruptors de circuit d'estat sòlid utilitzin algoritmes de detecció de falles a nivell de microsegons per identificar amb precisió les falles i respondre ràpidament. Els mètodes tradicionals de detecció de falles experimenten retards significatius quan tracten amb corrents de falla de CC que canvien ràpidament, fent-los incapaces de satisfer les demandes de protecció ràpida.

1.3 Contradicció entre dissipació de calor i volum
Per satisfer la demanda dels sistemes de potència moderns per a una alta densitat de potència, els dissenys d'interruptors de circuit d'estat sòlid han de aconseguir un maneig de potència més gran dins d'un espai limitat. No obstant això, una major densitat de potència provoca un augment brusc en el calor generat pels dispositius electrònics de potència. Una dissipació de calor inadequada provoca temperatures excessives, degradant el rendiment del dispositiu i potencialment desencadenant una fuga tèrmica i l'aturada de l'equipament. Les tècniques de refrigeració convencionals funcionen malament amb els interruptors de circuit d'estat sòlid de alta densitat de potència. Tot i que la refrigeració líquida pot millorar l'eficiència de la dissipació de calor, augmenta la mida i el cost de l'equipament. Així, com aconseguir un equilibri entre la refrigeració eficient i el control de volum raonable—aconseguint una optimització sinèrgica—continua sent un repte clau en el disseny dels interruptors de circuit d'estat sòlid.

2 Recerca de Tecnologies Clau

2.1 Tecnologia d'aplicació de dispositius de banda ampla
(1) Selecció i empaquetat de SiC MOSFET
Entre diversos dispositius de banda ampla, els SiC MOSFET de baixa pèrdua de conducció ofereixen avantatges significatius. Per millorar el seu rendiment en aplicacions en paral·lel de diversos dispositius, s'adopta una disposició simètrica de Direct Bonded Copper (DBC). Aquesta disposició redueix efectivament la inductància parasitària, crucial per millorar les característiques de commutació del dispositiu. Durante la commutació, especialment en l'apagada, l'interacció entre la inductància parasitària i la capacitància del dispositiu provoca oscil·lacions de voltatge de la porta. Proves experimentals mostren que amb una disposició DBC simètrica, les oscil·lacions de voltatge de la porta durant l'apagada es poden controlar a menys del 5%. Això no només millora l'estabilitat dinàmica durant l'operació en paral·lel, sino que també redueix el risc de daños al dispositiu causats per les oscil·lacions de voltatge.

(2) Control de compartició de corrent dinàmica
Per abordar el repte de la desigualtat de corrent en dispositius en paral·lel, s'introdueix una estratègia de control que combina un bus de compartició de corrent amb una regulació PI adaptativa. El bus de compartició de corrent, a través d'un disseny estructural únic, proporciona una ruta de distribució de corrent equilibrada per a cada branca en paral·lel a nivell físic. Sobre aquesta base, un algoritme de regulació PI adaptativa ajusta dinàmicament els senyals de conducció de cada dispositiu basant-se en la monitorització en temps real de les corrents de les branques, aconseguint un control de compartició de corrent més precís.

2.2 Tecnologia de detecció i interrupció ràpida de falles
(1) Detecció de falles basada en el voltatge de la porta
L'anàlisi de les característiques de curto-circuit del SiC MOSFET revela que durant una falla de curto-circuit, el voltatge dren-drain (VDS) augmenta ràpidament fins a 900 V, mentre que el voltatge de la porta disminueix significativament amb una pendient superior a 10 V/ns. Utilitzant aquesta característica, s'ha dissenyat un comparador de doble llindar per a la detecció ràpida de falles, establint dos llindars de corrent: Ith1 = 500 A i Ith2 = 1,2 kA. Quan la corrent detectada supera Ith1, es dispara una alerta preliminar; superar Ith2 indica una falla de curto-circuit confirmada. El circuit de detecció i l'algoritme de processament de senyals dissenyats aconsegueixen un retard de detecció de només 0,8 μs. Aquest enfocament evita la conversió i processament de senyals complexos dels mètodes tradicionals, utilitzant les característiques eléctriques intrínseques del SiC MOSFET, millorant significativament la precisió de la detecció de falles.

(2) Estratègia d'interrupció optimitzada multiobjectiu
Per aconseguir una interrupció de falles de alt rendiment en els interruptors de circuit d'estat sòlid, el temps d'interrupció (Δt), l'absorció d'energia (EMOV) i la corrent d'impuls (Ipeak) s'estableixen com a funcions objectiu, optimitzades mitjançant un algoritme de col·lectiva de partícules multiobjectiu (MOPSO). Un temps d'interrupció més curt proporciona millor protecció per a l'equipament del sistema; l'absorció d'energia afecta la selecció i la vida útil de components protectors com els MOV; una corrent d'impuls excessiva provoca una gran tensió elèctrica, impactant l'operació normal de l'equipament.

Després de diverses iteracions d'optimització MOPSO, es determinen els paràmetres òptims: l'inductor limitador de corrent LB = 15 μH i el coeficient limitador de voltatge del MOV γ = 1,8. Amb aquests paràmetres optimitzats, el temps d'interrupció es redueix a 73,5 μs, i la corrent màxima es limita a 526 A. Per demostrar visualment l'efecte de l'optimització, el mètode de presa de decisions TOPSIS compara els resultats abans i després de l'optimització. La comparació mostra milloraments significatius en indicadors clau com el temps d'interrupció, l'absorció d'energia i la corrent d'impuls, millorant enormement el rendiment general i satisfent millor les exigències pràctiques d'enginyeria per a una interrupció ràpida i fiable pels interruptors de circuit d'estat sòlid.

2.3 Disseny d'estructura mecànica d'alta fiabilitat
(1) Interruptor aïllador de magnèt permanent
Per millorar la fiabilitat i estabilitat dels interruptors de circuit d'estat sòlid, s'ha dissenyat un interruptor aïllador de magnèt permanent que utilitza un mecanisme de magnèt permanent bistable. En aquesta estructura, la força de manteniment per a la tancada i obertura es proporciona principalment per magnèts permanents, amb la bobina energitzada només momentàniament durant les operacions de commutació. Això redueix el consum d'energia en aproximadament un 90% en comparació amb els interruptors aïlladors electromagnètics tradicionals. L'anàlisi dinàmica d'Adams mostra que la vida mecànica d'aquest interruptor aïllador de magnèt permanent supera 1 milió d'operacions, amb una velocitat de separació del contacte de 3 m/s. La velocitat elevada de separació del contacte assegura una desconexió ràpida del circuit en cas de falla, reduint la probabilitat de generació d'arc i millorant la capacitat d'interrupció de l'interruptor. La llarga vida mecànica assegura un rendiment estable en usos prolongats, reduint la freqüència de manteniment i substitució, proporcionant així un suport fort per a l'operació eficient de l'interruptor de circuit d'estat sòlid.

(2) Solució de gestió tèrmica
Per abordar els reptes de dissipació de calor en dissenys de alta densitat de potència, s'ha proposat una solució de refredament híbrid que combina la refrigeració evaporativa amb la refrigeració forçada d'aire. La refrigeració evaporativa utilitza el principi de l'evaporació de líquids que absorbeix calor, permetent una transferència de calor eficient en espais compactes. La refrigeració forçada d'aire augmenta encara més la dissipació de calor mitjançant la convecció forçada impulsada per ventiladors. Aquest mètode de refredament híbrid estabilitza la temperatura del punt calent del mòdul per sota de 75°C, amb una taxa de creixement de temperatura inferior a 5°C/min, complint amb els requisits estàndard.III. Verificació experimental

3 Verificació Experimental

3.1 Paràmetres del prototip
Per verificar l'eficàcia de les tecnologies clau i esquemes de disseny, s'ha desenvolupat un prototip d'interruptor de circuit d'estat sòlid de corrent contínua de baixa tensió, amb els paràmetres principals següents:

3.2 Resultats de les proves de tipus

S'han realitzat proves de tipus completes en el prototip per avaluar si el seu rendiment compleix amb les exigències per a aplicacions pràctiques:

(1) Prova d'interrupció de curto-circuit
Les falles de curto-circuit són entre les falles més severes en els sistemes de potència, i la corrent instantània enorme que generen representa una amenaça significativa per a l'operació de l'equipament. Per simular aquesta condició extrema, s'ha establert un ambient de prova de corrent de curto-circuit de 23 kA—posant un repte rigorós per a l'interruptor de circuit d'estat sòlid. Al començament de la prova, el prototip s'activa ràpidament, i la seva tecnologia integrada de detecció i interrupció ràpida de falles comença a funcionar. Aquesta tecnologia, a través de la monitorització de corrent d'alta precisió i un mecanisme de resposta ràpida, detecta la corrent anormal en un temps extremadament curt i inicia immediatament el procés d'interrupció.

Durant l'interrupció, el personal de prova observa de prop el rendiment de l'interruptor, i no es produeix cap reaccenció d'arc durant tot el procés. Aquest resultat no només demostra l'alta eficiència de la tecnologia de detecció i interrupció ràpida de falles, sino que també destaca el rendiment d'interrupció superior de l'interruptor de circuit d'estat sòlid. En els interruptors de circuit tradicionals, la reaccenció d'arc és un problema difícil d'evitar que sovint provoca falles secundàries o fins i tot danys severes a l'equipament. En canvi, l'interruptor de circuit d'estat sòlid evita aquest problema a través de tècniques d'interrupció avançades, proporcionant així un suport fort per a l'operació estable dels sistemes de potència.

(2) Prova de creixement de temperatura
El rendiment tèrmic és un altre factor clau en l'avaluació dels interruptors de circuit d'estat sòlid. Per avaluar eficaçment la capacitat de dissipació de calor del dispositiu durant l'operació prolongada, s'ha realitzat una prova de creixement de temperatura. Es va requerir que el prototip operés de manera contínua durant 24 hores, durant les quals es generava una quantitat significativa de calor [9]. Després de la prova, es van utilitzar sensors de temperatura per mesurar la temperatura del prototip. Els resultats van mostrar un creixement de temperatura de ΔT = 32 K. Aquestes dades confirman l'eficàcia de la solució de refredament híbrid que combina la refrigeració evaporativa i la refrigeració forçada d'aire. Integrant el principi natural de dissipació de calor de la refrigeració evaporativa amb la convecció forçada de la refrigeració forçada d'aire, el sistema dissipa eficientment el calor generat durant l'operació, assegurant que el dispositiu romangui dins d'un rang de temperatura acceptable. Una bona gestió tèrmica no només assegura l'operació estable de l'interruptor de circuit d'estat sòlid, sino que també allarga la seva vida útil.

(3) Prova de vida útil
La vida útil és un indicador crític per determinar si un interruptor de circuit d'estat sòlid pot ser ampliament aplicat en sistemes de potència reals. Per tant, per verificar el seu rendiment de vida útil, el prototip va passar una prova d'endurance d'un milió de cicles operatius. Durant la prova, el personal va vigilar de prop els canvis en la resistència de contacte del prototip. Després de la prova, es va mesurar la resistència de contacte i es va trobar que havia canviat en menys del 5%. Aquest resultat valida l'eficàcia del disseny de llarga vida de l'interruptor aïllador de magnèt permanent. Fins i tot després d'operacions prolongades i freqüents, els contactes de l'interruptor mantenen una excel·lent conductivitat, assegurant una funcionalitat de tancada i obertura fiable de l'interruptor de circuit d'estat sòlid.

4 Conclusió
En resum, aquest article presenta una solució tècnica per a interruptors de circuit d'estat sòlid de corrent contínua de baixa tensió basada en una recerca en profunditat de tecnologies clau, incloent l'optimització de dispositius de banda ampla, algoritmes de control intel·ligents i disseny estructural d'alta fiabilitat. La validació experimental mostra que el prototip desenvolupat aconsegueix un rendiment líder en indicadors clau com la velocitat d'interrupció, la precisió de detecció de falles i la vida útil operativa.

Aconsegueix amb èxit una interrupció ràpida a nivell de microsegons i una vida útil d'un milió de cicles, proporcionant una solució pràctica i viable per a la protecció en sistemes de distribució d'energia renovable. Mirant endavant, hi ha moltes direccions prometedores de recerca per a interruptors de circuit d'estat sòlid de corrent contínua de baixa tensió. Per exemple, establir un model de simulació integrat a nivell de dispositiu, empaquetat i sistema podria simular de manera més completa el rendiment dels interruptors de circuit d'estat sòlid en diverses condicions d'operació, proporcionant així un suport teòric més precís per a l'optimització del disseny.