Nøgleteknologier for lavspændings DC fasttilstands kreditskille-enheder

1 Tekniske Udfordringer

1.1 Stabilitet ved parallelforbindelse af enheder
I praksis er strømføringsevnen for enkeltstående effektelektroniske enheder relativt begrænset. For at opfylde krav om høj strøm, forbinder man ofte flere enheder i parallelle. Dog kan variationer i parametre mellem enhederne – såsom små forskelle i påstandmodstand og tærskelspænding – føre til ulige strømfordeling under paralleloperation. Under skiftningstransitioner kan parasitisk induktance og kapacitance yderligere medføre uensartede strømændringshastigheder mellem de parallelle enheder, hvilket forværrer strømubalancen. Hvis denne ubalance ikke behandles hurtigt, kan det føre til, at visse enheder overophedes og mislykkes på grund af overskridelse af strøm, hvilket reducerer levetiden for den fasttilstandscirkuitbryder.

1.2 Forsinkelse i fejlregistrering
I DC-systemer adskiller sig fejlstrømsegenskaber betydeligt fra AC-systemer, da de mangler nulpunkter, der hjælper med fejlregistrering og -afbrydelse. Dette kræver, at fasttilstandscirkuitbrydere anvender mikrosekundsniveau fejlregistreringsalgoritmer for at præcist identificere fejl og reagere hurtigt. Traditionelle fejlregistreringsmetoder har betydelige forsinkelser, når de håndterer hurtigt ændrende DC-fejlstrømme, hvilket gør dem ude af stand til at opfylde kravene til hurtig beskyttelse.

1.3 Modstrid mellem varmeafgivelse og volumen
For at opfylde moderne effektsystemers krav om høj effektfordensitet, skal designet af fasttilstandscirkuitbrydere opnå større effekthåndtering inden for begrænsede rumsdimensioner. Imidlertid fører højere effektfordensitet til en skarp stigning i den genererede varme fra effektelektroniske enheder. Mangel på varmeafgivelse fører til for høje temperaturer, som nedgraderer enhedernes ydeevne og potentielt udløser termisk løbsk og udstyrssammenbrud. Konventionelle køleteknikker fungerer dårligt med høj-effektfordensitets fasttilstandsafbrydere. Selvom væskokøling kan forbedre varmeafgivelseseffektiviteten, øger den udstyrstørrelsen og -omkostningerne. Derfor er det en nøgleudfordring i designet af fasttilstandscirkuitbrydere, hvordan man kan balancere effektiv køling med rimelig volumenkontrol – og opnå synergisk optimering.

2 Nøgleteknologiforskning

2.1 Anvendelsesteknologi for bredbåndsdevice
(1) Valg og pakning af SiC MOSFET'er
Blandt forskellige bredbåndsdevice, giver lav-ledningsfortabben SiC MOSFET'er betydelige fordele. For at forbedre deres ydeevne i flerenhedsparallelanvendelser anvendes et symmetrisk Direct Bonded Copper (DBC)-layout. Dette layout reducerer effektivt parasitisk induktance, hvilket er afgørende for at forbedre enhedernes skiftningsegenskaber. Under skiftning, især ved slukning, forårsager interaktion mellem parasitisk induktance og enhedskapacitance gate-spændingsoscillation. Eksperimentelle tester viser, at med et symmetrisk DBC-layout kan gate-spændingsoscillationen under slukning kontrolleres til mindre end 5%. Dette forbedrer ikke kun dynamisk stabilitet under paralleloperation, men reducerer også risikoen for enhedsbeskadigelse på grund af spændingsoscillation.

(2) Dynamisk strømdeling kontrol
For at tackle udfordringen med strømubalance i parallelle enheder introduceres en kontrolstrategi, der kombinerer en strømdelingsbus med adaptiv PI-regulering. Gennem unikt konstruktionsmæssigt design, giver strømdelingsbusset en fysisk balancestrømfordeling for hver parallel gren. Herpå baseret, justerer en adaptiv PI-regulering algoritme dynamisk drevsignalene for hver enhed baseret på reel-tids overvågning af grenestrømme, hvilket opnår mere præcis strømdeling kontrol.

2.2 Hurtig fejlregistrering og afbrydelsesteknologi
(1) Fejlregistrering baseret på gate-spænding
Analyse af SiC MOSFET's kortslutningsegenskaber viser, at under en kortslutningsfejl, spænder drain-source spændingen (VDS) hurtigt op til 900V, mens gate-spændingen betydeligt falder med en hældning, der overstiger 10 V/ns. Ved at udnytte denne karakteristik, er en dobbelttærskel-komparator designet for hurtig fejlregistrering, med to strømtærskler: Ith1 = 500 A og Ith2 = 1.2 kA. Når den registrerede strøm overstiger Ith1, udløses en foreløbig advarsel; overstiger den Ith2, indikerer det en bekræftet kortslutningsfejl. Det designede registreringskredsløb og signalbehandlingsalgoritme opnår en registreringsforsinkelse på kun 0.8 μs. Denne metode undgår kompleks signalkonvertering og -behandling ved hjælp af SiC MOSFET's inbyggede elektriske egenskaber, hvilket betydeligt forbedrer fejlregistreringspræcisionen.

(2) Multiobjektivoptimeret afbrydelsesstrategi
For at opnå høj-ydende fejlafbrydelse i fasttilstandscirkuitbrydere, sættes afbrydelsestid (Δt), energiabsorption (EMOV) og indstrøm (Ipeak) som målfunktioner, optimeret ved hjælp af en multiobjektiv partikelsværmsoptimerings (MOPSO) algoritme. Kortere afbrydelsestid giver bedre beskyttelse af systemudstyr; energiabsorption påvirker valg og levetid af beskyttende komponenter som MOV'er; overdreven indstrøm forårsager betydelig elektrisk stress, som påvirker normal udstyrsdrift.