Klíčové technologie nízkonapěťových DC pevnostavových vypínačů

1 Technické výzvy

1.1 Stabilita paralelního připojení zařízení
V praxi je nosná schopnost jednotlivých elektronických zařízení pro energii relativně omezená. Pro splnění požadavků na vysoký proud se často používá paralelní připojení více zařízení. Nicméně, rozdíly mezi parametry zařízení, jako jsou mírné odlišnosti v odpornosti ve zapnutém stavu a napětí práhovém, mohou způsobit nerovnoměrné rozdělení proudu během paralelního provozu. Během přechodných stavů přepínání vedou parazitní indukčnost a kapacitance k nesrovnalým změnám proudu mezi paralelně připojenými zařízeními, což zhoršuje nerovnoměrnost proudu. Pokud není tato nerovnováha rychle vyřešena, může způsobit přehřátí a selhání některých zařízení kvůli nadměrnému proudu, čímž se zkracuje životnost pevného stavu obvodu jistého.

1.2 Zpoždění detekce poruchy
V systémech s konstantním proudem se charakteristiky poruchového proudu liší od systémů střídavého proudu, které nemají nulové body, které pomáhají při detekci a přerušení poruch. To vyžaduje, aby pevnostavové obvody jistého používaly algoritmy detekce poruch na mikrosekundové úrovni, aby přesně identifikovaly poruchy a rychle reagovaly. Tradiční metody detekce poruch trpí významným zpožděním při zpracování rychle se měnících poruchových proudů v systémech s konstantním proudem, což jim brání splnit požadavky na rychlou ochranu.

1.3 Konflikt mezi odváděním tepla a objemem
Pro splnění požadavků moderních energetických systémů na vysokou hustotu výkonu musí návrhy pevnostavových obvodů jistých dosahovat většího výkonu v omezeném prostoru. Vysoká hustota výkonu však vedou k ostrému nárůstu tepla generovaného elektronickými zařízeními. Nedostatečné odvádění tepla způsobuje příliš vysoké teploty, což degraduje výkon zařízení a může způsobit termální unik a selhání zařízení. Tradiční chladicí techniky fungují špatně s pevnostavovými přerušovači s vysokou hustotou výkonu. Přestože kapalinové chlazení může zlepšit efektivitu odvádění tepla, zvyšuje velikost a náklady zařízení. Tedy, jak dosáhnout rovnováhy mezi efektivním chlazením a rozumnou kontrolou objemu – dosažení synergické optimalizace – zůstává klíčovou výzvou v návrhu pevnostavových obvodů jistých.

2 Klíčové technologické výzkumy

2.1 Aplikační technologie širokopásmových zařízení
(1) Výběr a balení SiC MOSFET
Mezi různými širokopásmovými zařízeními nabízejí SiC MOSFET s nízkou vodičovou ztrátou významné výhody. Pro zlepšení jejich výkonu v aplikacích s paralelním připojením více zařízení se používá symetrické uspořádání Direct Bonded Copper (DBC). Toto uspořádání efektivně snižuje parazitní indukčnost, což je klíčové pro zlepšení přepínacích charakteristik zařízení. Během přepínání, zejména při vypínání, interakce mezi parazitní indukčností a kapacitancí zařízení způsobuje oscilaci napětí brány. Experimentální testy ukázaly, že s symetrickým uspořádáním DBC lze oscilaci napětí brány při vypínání omezit na méně než 5%. To nejen zlepšuje dynamickou stabilitu během paralelního provozu, ale také snižuje riziko poškození zařízení způsobené oscilací napětí.

(2) Dynamická kontrola sdílení proudu
Pro řešení problému nerovnoměrného rozdělení proudu v paralelně připojených zařízeních je zavedena strategie kontroly kombinující sběrnici pro sdílení proudu s adaptivní PI regulací. Sběrnice pro sdílení proudu, díky svému unikátnímu strukturnímu návrhu, poskytuje fyzicky vyváženou cestu pro rozdělení proudu každé paralelní větve. Na tomto základě adaptivní PI regulační algoritmus dynamicky upravuje signály pro pohon každého zařízení na základě reálného času monitorování proudu větví, dosahujíc tak přesnější kontroly sdílení proudu.

2.2 Rychlá detekce a přerušení poruch
(1) Detekce poruch založená na napětí brány
Analýza charakteristik krátkého spojení SiC MOSFET ukazuje, že během krátkého spojení dojde k rychlému nárůstu napětí mezi drátem a zdrojem (VDS) na 900V, zatímco napětí brány výrazně klesne s sklonem přesahujícím 10 V/ns. Využitím této charakteristiky byl navržen dvojitý hranicový komparátor pro rychlou detekci poruch, nastavený s dvěma proudovými hranicemi: Ith1 = 500 A a Ith2 = 1,2 kA. Když detekovaný proud překročí Ith1, je vyvoláno předběžné varování; překročení Ith2 indikuje potvrzenou poruchu krátkého spojení. Navržený detekční obvod a algoritmus zpracování signálů dosahují zpoždění detekce pouze 0,8 μs. Tento přístup obejde složité převody a zpracování signálů tradičních metod využitím vlastních elektrických charakteristik SiC MOSFET, což významně zlepšuje přesnost detekce poruch.

(2) Multiobjektivně optimalizovaná strategie přerušení
Pro dosažení vysokého výkonu při přerušování poruch v pevnostavových obvodech jistých jsou čas přerušení (Δt), absorpce energie (EMOV) a prudký proud (Ipeak) nastaveny jako cílové funkce, optimalizované pomocí multiobjektivního algoritmu optimální hejného optimálního algoritmu (MOPSO). Kratší čas přerušení poskytuje lepší ochranu zařízení systému; absorpce energie ovlivňuje výběr a životnost ochranných komponent, jako jsou MOV; příliš vysoký prudký proud způsobuje významné elektromagnetické stresy, což ovlivňuje normální provoz zařízení.

Přes několik iterací MOPSO optimalizace byly stanoveny optimální parametry: proudově omezující cívka LB = 15 μH a koeficient omezování napětí MOV γ = 1,8. Použitím těchto optimalizovaných parametrů byl čas přerušení snížen na 73,5 μs a maximální proud omezen na 526 A. Pro vizuální demonstraci efektu optimalizace byla použita metoda rozhodování TOPSIS k porovnání výsledků před a po optimalizaci. Porovnání ukazuje významné zlepšení klíčových ukazatelů, jako je čas přerušení, absorpce energie a prudký proud, což významně zlepšuje celkový výkon a lépe splňuje praktické inženýrské požadavky na rychlé a spolehlivé přerušení pevnostavovými obvody jistých.

2.3 Návrh mechanické struktury s vysokou spolehlivostí
(1) Přepínač s izolací permanentního magnetu
Pro zlepšení spolehlivosti a stability pevnostavových obvodů jistých byl navržen přepínač s izolací permanentního magnetu využívající bistabilní mechanismus permanentního magnetu. V této struktuře je síla udržování pro uzavírání a otevírání hlavně poskytována permanentními magnety, s cívkou energizovanou pouze okamžitě během operací přepínání. Tím se sníží spotřeba energie přibližně o 90% v porovnání s tradičními elektromagnetickými přepínači s izolací. Analýza dynamické simulace Adams ukazuje, že mechanický život tohoto přepínače s izolací permanentního magnetu přesahuje 1 milion operací, s rychlostí oddělení kontaktů 3 m/s. Vysoká rychlost oddělení kontaktů zajišťuje rychlé přerušení obvodu při výskytu poruchy, což snižuje pravděpodobnost vzniku oblouku a zvyšuje schopnost přerušení přepínače. Dlouhý mechanický život zajišťuje stabilní výkon při dlouhodobém použití, snižuje frekvenci údržby a výměny, což poskytuje silnou podporu pro efektivní fungování pevnostavového obvodu jistého.

(2) Řešení správy tepla
Pro řešení výzev s odváděním tepla v návrzích s vysokou hustotou výkonu bylo navrženo hybridní chladicí řešení kombinující výparné chlazení s nuceným vzdušným chlazením. Výparné chlazení využívá principu výparu kapaliny, který absorbuje teplo, umožňující efektivní přenos tepla v kompaktních prostorech. Nucené vzdušné chlazení dále zlepšuje odvádění tepla prostřednictvím ventilátoru, který způsobuje nucenou konvekci. Tento hybridní chladicí způsob stabilizuje teplotu horkého bodu modulu pod 75°C, s rychlostí teplotního nárůstu menší než 5°C/min, což splňuje standardní požadavky.

III. Experimentální ověření

3 Experimentální ověření

3.1 Parametry prototypu
Pro ověření efektivity klíčových technologií a návrhových schémat byl vyvinut prototyp pevnostavového obvodu jistého pro nízké napětí s konstantním proudem, s hlavními parametry následujícími:

3.2 Výsledky typových zkoušek

Na prototypu byly provedeny komplexní typové zkoušky pro hodnocení, zda jeho výkon splňuje požadavky pro praktické aplikace:

(1) Zkouška přerušení krátkého spojení
Poruchy krátkého spojení patří mezi nejzávažnější typy poruch v energetických systémech, a obrovský okamžitý proud, který generují, představuje významné ohrožení pro provoz zařízení. Pro simulaci této extrémní situace byla vytvořena testovací prostředí s krátkým spojením o síle 23 kA – představující náročnou výzvu pro pevnostavový obvod jistý. Na začátku testu rychle aktivoval prototyp, a jeho vestavěná rychlá technologie detekce a přerušení poruch začala fungovat. Tato technologie, prostřednictvím vysokopřesného monitorování proudu a rychlého mechanismu odezvy, detekovala neobvyklý proud v extrémně krátkém čase a okamžitě iniciovala proces přerušení.

Během přerušení pozorovali testovací personál výkon přepínače, a během celého procesu nedošlo k opětovnému zapálení oblouku. Tento výsledek nejen dokazuje vysokou efektivitu rychlé technologie detekce a přerušení poruch, ale také zdůrazňuje vynikající výkon přerušení pevnostavového obvodu jistého. U tradičních obvodů jistých je opětovné zapálení oblouku obtížně vyhnutelný problém, který často vede ke sekundárním poruchám nebo dokonce k vážnému poškození zařízení. Naopak, pevnostavový obvod jistý úspěšně tento problém vyhýbá díky pokročilým technologiím přerušení, což poskytuje silnou podporu pro stabilní provoz energetických systémů.

(2) Zkouška teplotního nárůstu
Tepelný výkon je dalším klíčovým faktorem pro hodnocení pevnostavových obvodů jistých. Pro efektivní hodnocení schopnosti zařízení odvádět teplo během dlouhotrvajícího provozu byla provedena zkouška teplotního nárůstu. Prototyp byl povinen pracovat nepřetržitě po 24 hodin, během kterých bylo vygenerováno značné množství tepla [9]. Po testu byla teplota prototypu změřena pomocí teplotních senzorů. Výsledky ukázaly teplotní nárůst ΔT = 32 K. Tato data potvrzují efektivitu hybridního chladicího řešení kombinujícího výparné chlazení a nucené vzdušné chlazení. Integrací přirozeného principu odvádění tepla výparným chlazením s nucenou konvekcí nuceného vzdušného chlazení systém efektivně odvádí teplo generované během provozu, zajišťuje, že zařízení zůstává v přijatelném teplotním rozsahu. Dobrá správa tepla nejen zajišťuje stabilní provoz pevnostavového obvodu jistého, ale také prodlužuje jeho životnost.

(3) Zkouška životnosti
Životnost je klíčovým ukazatelem pro určení, zda pevnostavový obvod jistý může být široce používán v reálných energetických systémech. Proto byla provedena zkouška životnosti prototypu, který prošel milionem operačních cyklů. Během testu personál pozorně sledoval změny odpornosti kontaktu prototypu. Po testu byla odpornost kontaktu změřena a zjištěno, že se změnila méně než o 5%. Tento výsledek potvrzuje efektivitu dlouhověkého návrhu přepínače s izolací permanentního magnetu. I po dlouhodobém a častém používání zůstávají kontakty přepínače vynikající vodivost, což zajišťuje spolehlivou funkci zapnutí a vypnutí pevnostavového obvodu jistého.

4 Závěr
Zhruba řečeno, tento článek prezentuje technické řešení pro pevnostavové obvody jistého pro nízké napětí s konstantním proudem založené na hlubokém výzkumu klíčových technologií, včetně optimalizace širokopásmových zařízení, inteligentních řídicích algoritmů a návrhu s vysokou spolehlivostí. Experimentální ověření ukazuje, že vyvinutý prototyp dosahuje vynikajícího výkonu v klíčových ukazatelích, jako je rychlost přerušení, přesnost detekce poruch a životnost provozu.

Úspěšně realizuje rychlé přerušení na mikrosekundové úrovni a životnost milionu cyklů, poskytující praktické a proveditelné řešení pro ochranu v distribučních systémech nových zdrojů energie. V budoucnu existuje mnoho slibných směrů výzkumu pro pevnostavové obvody jistého pro nízké napětí s konstantním proudem. Například, vytvoření integrovaného simulačního modelu na úrovni zařízení, balení a systému by mohlo komplexněji simulovat výkon pevnostavových obvodů jistých v různých provozních podmínkách, což by poskytlo přesnější teoretickou podporu pro optimalizaci návrhu.