Schlüsseltechnologien von Niederspannungs-Gleichstrom-Festkörper-Sicherungen

1 Technische Herausforderungen

1.1 Stabilität der Geräteparallelisierung
In der Praxis ist die Stromtragfähigkeit eines einzelnen Leistungselektronikgeräts relativ begrenzt. Um den Anforderungen an hohe Ströme gerecht zu werden, werden oft mehrere Geräte parallel geschaltet. Allerdings können Parameterunterschiede zwischen den Geräten, wie geringfügige Unterschiede im Einschaltwiderstand und in der Schwellenspannung, zu ungleichmäßiger Stromverteilung während des Parallelbetriebs führen. Während der Schaltübergänge führen parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten zu unterschiedlichen Stromänderungsraten der parallelen Geräte, was die Stromungleichgewichtigkeit weiter verstärkt. Wenn diese Ungleichgewichtigkeit nicht rechtzeitig behoben wird, kann dies dazu führen, dass bestimmte Geräte aufgrund von übermäßigem Strom überhitzen und ausfallen, wodurch die Lebensdauer des halbleiterbasierten Schalters reduziert wird.

1.2 Verzögerung bei der Fehlererkennung
Im Gleichstromsystem unterscheiden sich die Eigenschaften des Fehlerstroms erheblich von denen im Wechselstromsystem, da es keine Nullübertritte gibt, die bei der Fehlererkennung und -unterbrechung helfen. Dies erfordert, dass halbleiterbasierte Schalter Mikrosekunden-Genauigkeits-Fehlererkennungsalgorithmen einsetzen, um Fehler genau zu identifizieren und schnell zu reagieren. Traditionelle Fehlererkennungsverfahren leiden unter signifikanten Verzögerungen beim Umgang mit schnell veränderlichen Gleichstromfehlern, sodass sie den Anforderungen an schnelle Schutzfunktionen nicht gerecht werden können.

1.3 Widerspruch zwischen Wärmeabfuhr und Volumen
Um den Bedarf moderner Energieversorgungssysteme nach hoher Leistungsverdichtung zu erfüllen, müssen halbleiterbasierte Schalterschaltungen innerhalb begrenzter Raumvorgaben eine höhere Leistung erreichen. Allerdings führt eine höhere Leistungsverdichtung zu einem starken Anstieg der durch Leistungselektronikgeräte erzeugten Wärme. Unzureichende Wärmeabfuhr führt zu übermäßig hohen Temperaturen, die die Geräteleistung beeinträchtigen und potenziell thermische Auslaufreaktionen und Geräteausfälle auslösen können. Konventionelle Kühlverfahren funktionieren bei hochleistungsdichten halbleiterbasierten Schaltern schlecht. Obwohl Flüssigkeitskühlung die Wärmeabführungs-Effizienz verbessern kann, erhöht sie die Gerätegröße und -kosten. Daher bleibt die Frage, wie man effektive Kühlung mit einer vernünftigen Volumensteuerung in Einklang bringt, um eine synergistische Optimierung zu erreichen, eine zentrale Herausforderung in der Entwicklung halbleiterbasierter Schalter.

2 Schlüsseltechnologieforschung

2.1 Anwendungstechnologie für Breitbandlückenbauelemente
(1) Auswahl und Verpackung von SiC MOSFETs
Unter den verschiedenen Breitbandlückenbauelementen bieten SiC MOSFETs mit niedrigem Durchgangsverlust signifikante Vorteile. Um ihre Leistung in Mehrgeräte-Parallelanwendungen zu verbessern, wird ein symmetrisches Direct Bonded Copper (DBC)-Layout eingesetzt. Dieses Layout verringert wirksam die parasitären Induktivitäten, was entscheidend für die Verbesserung der Schalteigenschaften der Bauteile ist. Während des Schaltens, insbesondere beim Ausschalten, führt die Wechselwirkung zwischen parasitären Induktivitäten und Gerätekapazitäten zu Oszillationen der Gate-Spannung. Experimentelle Tests zeigen, dass mit einem symmetrischen DBC-Layout die Gate-Spannungsoszillation beim Ausschalten auf weniger als 5 % kontrolliert werden kann. Dies verbessert nicht nur die dynamische Stabilität während des Parallelbetriebs, sondern reduziert auch das Risiko von Geräteschäden durch Spannungsschwankungen.

(2) Dynamische Stromverteilungssteuerung
Um die Herausforderung der Stromungleichgewichtigkeit in parallelen Geräten zu bewältigen, wird eine Steuerstrategie eingeführt, die eine Stromverteilungsleitung mit adaptiver PI-Regelung kombiniert. Die Stromverteilungsleitung bietet durch ein einzigartiges strukturelles Design auf physischer Ebene einen ausgewogenen Stromverteilungsweg für jeden parallelen Zweig. Auf dieser Grundlage passt ein adaptiver PI-Regelalgorithmus die Antriebssignale jedes Geräts basierend auf der Echtzeitüberwachung der Zweigströme dynamisch an, um eine präzisere Stromverteilungssteuerung zu erreichen.

2.2 Schnelle Fehlererkennung und -unterbrechungstechnologie
(1) Fehlererkennung basierend auf Gate-Spannung
Die Analyse der Kurzschlusseigenschaften von SiC MOSFETs zeigt, dass bei einem Kurzschlussfehler die Drain-Source-Spannung (VDS) schnell auf 900 V steigt, während die Gate-Spannung mit einer Neigung von mehr als 10 V/ns erheblich abfällt. Mit Hilfe dieser Eigenschaft wurde ein Dual-Schwellenwertvergleicher für schnelle Fehlererkennung entwickelt, der zwei Stromschwellenwerte setzt: Ith1 = 500 A und Ith2 = 1,2 kA. Wenn der gemessene Strom Ith1 überschreitet, wird eine vorläufige Warnung ausgelöst; wenn Ith2 überschritten wird, deutet dies auf einen bestätigten Kurzschluss hin. Das entworfene Erkennungsschaltkreis und Signalverarbeitungsalgorithmus erreichen eine Erkennungsverzögerung von nur 0,8 μs. Dieser Ansatz umgeht die komplexen Signalumwandlung und -verarbeitung traditioneller Methoden, indem die inhärenten elektrischen Eigenschaften des SiC MOSFETs genutzt werden, und verbessert erheblich die Genauigkeit der Fehlererkennung.

(2) Mehrzieloptimierte Unterbrechungsstrategie
Um eine hohe Leistungsfähigkeit bei der Fehlerunterbrechung in halbleiterbasierten Schaltern zu erreichen, werden die Unterbrechungszeit (Δt), die Energieaufnahme (EMOV) und der Einströmimpuls (Ipeak) als Zielfunktionen festgelegt und mittels eines mehrzieligen Partikelschwarmoptimierungsalgorithmus (MOPSO) optimiert. Eine kürzere Unterbrechungszeit bietet besseren Schutz für Systemkomponenten; die Energieaufnahme beeinflusst die Wahl und Lebensdauer von Schutzkomponenten wie MOVs; ein übermäßiger Einströmimpuls verursacht erhebliche elektrische Belastungen, die den normalen Betrieb der Geräte beeinträchtigen.

Durch mehrere Iterationen der MOPSO-Optimierung wurden optimale Parameter bestimmt: der strombegrenzende Induktor LB = 15 μH und der Spannungsbegrenzungskoeffizient des MOVs γ = 1,8. Mit diesen optimierten Parametern wird die Unterbrechungszeit auf 73,5 μs reduziert, und der maximale Strom wird auf 526 A begrenzt. Um die Optimierungswirkung visuell zu verdeutlichen, vergleicht die TOPSIS-Entscheidungsmethode die Ergebnisse vor und nach der Optimierung. Der Vergleich zeigt erhebliche Verbesserungen bei wichtigen Indikatoren wie Unterbrechungszeit, Energieaufnahme und Einströmimpuls, was die Gesamtleistung erheblich verbessert und die praktischen Anforderungen an schnelle und zuverlässige Unterbrechung durch halbleiterbasierte Schalter besser erfüllt.

2.3 Hochzuverlässiges mechanisches Strukturdesign
(1) Permanentmagnet-Abschalter
Um die Zuverlässigkeit und Stabilität von halbleiterbasierten Schaltern zu verbessern, wurde ein Permanentmagnet-Abschalter mit einem bistabilen Permanentmagnetmechanismus entwickelt. In dieser Struktur wird die Haltekraft zum Schließen und Öffnen hauptsächlich durch Permanentmagnete bereitgestellt, während die Spule nur kurzzeitig während des Schaltvorgangs energisiert wird. Dies reduziert den Energieverbrauch um etwa 90 % im Vergleich zu traditionellen elektromagnetischen Abschaltern. Adams-Dynamiksimulationen zeigen, dass die mechanische Lebensdauer dieses Permanentmagnet-Abschalters über 1 Million Schaltzyklen liegt, mit einer Kontaktabtrennungsgeschwindigkeit von 3 m/s. Die hohe Kontaktabtrennungsgeschwindigkeit stellt sicher, dass der Schaltkreis bei Fehlern schnell getrennt wird, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Bogenbildung reduziert und die Unterbrechungsfähigkeit des Schalters verbessert wird. Die lange mechanische Lebensdauer gewährleistet eine stabile Leistung über einen langen Zeitraum, reduziert die Wartungs- und Austauschhäufigkeit und bietet damit starke Unterstützung für den effizienten Betrieb des halbleiterbasierten Schalters.

(2) Thermomanagementlösung
Um die Wärmeableitungsprobleme in hochleistungsdichten Designs zu lösen, wird eine hybride Kühlungslösung vorgeschlagen, die verdampfungsbasierte Kühlung mit gezwungener Luftkühlung kombiniert. Die verdampfungsbasierte Kühlung nutzt das Prinzip der Wärmeabsorption durch Flüssigkeitsverdampfung, um eine effiziente Wärmeübertragung in kompakten Räumen zu ermöglichen. Die gezwungene Luftkühlung verbessert die Wärmeableitung durch lüftergetriebene erzwungene Konvektion. Diese hybride Kühlungsmethode stabilisiert die Hotspot-Temperatur des Moduls unter 75 °C, mit einer Temperaturanstiegsrate von weniger als 5 °C/min, was den Standardanforderungen entspricht.

3 Experimentelle Überprüfung

3.1 Prototyp-Parameter
Um die Wirksamkeit der Schlüsseltechnologien und Entwurfskonzepte zu überprüfen, wurde ein Prototyp eines Niederspannungs-Gleichstrom-halbleiterbasierten Schalters entwickelt, mit den folgenden Hauptparametern:

3.2 Typenprüfungsresultate

Umfangreiche Typenprüfungen wurden am Prototyp durchgeführt, um zu bewerten, ob seine Leistung den Anforderungen für praktische Anwendungen entspricht:

(1) Kurzschlussunterbrechungsprüfung
Kurzschlussfehler gehören zu den schwerwiegendsten Fehlertypen in Energieversorgungssystemen, und der enorme zeitweise auftretende Strom stellt eine erhebliche Bedrohung für den Betrieb von Geräten dar. Um diese extreme Situation zu simulieren, wurde eine Testumgebung mit 23 kA Kurzschlussstrom eingerichtet, die eine strenge Herausforderung für den halbleiterbasierten Schalter darstellt. Am Beginn des Tests wurde der Prototyp schnell aktiviert, und seine integrierte schnelle Fehlererkennungs- und Unterbrechungstechnologie begann zu arbeiten. Diese Technologie erkannte den abnormalen Strom innerhalb eines extrem kurzen Zeitraums durch hochgenaue Stromüberwachung und einen schnellen Reaktionsmechanismus und löste sofort den Unterbrechungsprozess aus.

Während der Unterbrechung beobachteten die Prüfer die Leistung des Schalters, und es trat kein Bogenneuanschluss auf. Dieses Ergebnis demonstriert nicht nur die hohe Effizienz der schnellen Fehlererkennungs- und Unterbrechungstechnologie, sondern betont auch die ausgezeichnete Unterbrechungsleistung des halbleiterbasierten Schalters. Bei traditionellen Schaltern ist der Bogenneuanschluss ein schwierig zu vermeidendes Problem, das oft zu sekundären Fehlern oder sogar schweren Geräteschäden führt. Im Gegensatz dazu gelingt es dem halbleiterbasierten Schalter, dieses Problem durch fortschrittliche Unterbrechungstechniken erfolgreich zu vermeiden, und bietet somit starke Unterstützung für den stabilen Betrieb von Energieversorgungssystemen.

(2) Temperaturanstiegsprüfung
Die thermische Leistung ist ein weiterer entscheidender Faktor zur Bewertung von halbleiterbasierten Schaltern. Um die Wärmeableitungsfähigkeit des Geräts während langfristigen Betriebs effektiv zu bewerten, wurde eine Temperaturanstiegsprüfung durchgeführt. Der Prototyp musste 24 Stunden lang kontinuierlich arbeiten, wobei erhebliche Wärme erzeugt wurde [9]. Nach dem Test wurden die Temperaturen des Prototyps mit Temperatursensoren gemessen. Die Ergebnisse zeigten einen Temperaturanstieg von ΔT = 32 K. Diese Daten bestätigen die Effektivität der hybriden Kühlungslösung, die verdampfungsbasierte Kühlung mit gezwungener Luftkühlung kombiniert. Durch die Integration des natürlichen Wärmeableitungsprinzips der verdampfungsbasierten Kühlung mit der erzwungenen Konvektion der gezwungenen Luftkühlung dissipiert das System effizient die während des Betriebs erzeugte Wärme und sorgt dafür, dass das Gerät in einem akzeptablen Temperaturbereich bleibt. Gutes Thermomanagement gewährleistet nicht nur den stabilen Betrieb des halbleiterbasierten Schalters, sondern verlängert auch dessen Lebensdauer.

(3) Lebensdauertest
Die Lebensdauer ist ein entscheidender Indikator, um festzustellen, ob ein halbleiterbasierter Schalter in realen Energieversorgungssystemen breit angewendet werden kann. Daher wurde, um die Lebensdauerleistung zu überprüfen, der Prototyp einem Ausdauerbetriebstest von einer Million Betriebszyklen unterzogen. Während des Tests wurden die Änderungen des Kontaktwiderstands des Prototyps von Personal engmaschig überwacht. Nach dem Test wurde der Kontaktwiderstand gemessen und zeigte eine Veränderung von weniger als 5 %. Dieses Ergebnis bestätigt die Wirksamkeit des Langzeitdesigns des Permanentmagnet-Abschalters. Sogar nach langem und häufigem Gebrauch bleiben die Schalterkontakte exzellente Leitfähigkeit, was eine zuverlässige Ein- und Ausschaltungsfunktion des halbleiterbasierten Schalters sicherstellt.

4 Schlussfolgerung
Zusammenfassend präsentiert dieser Artikel eine technische Lösung für Niederspannungs-Gleichstrom-halbleiterbasierte Schalter auf der Grundlage einer tiefgehenden Forschung zu Schlüsseltechnologien, einschließlich der Optimierung von Breitbandlückenbauelementen, intelligenter Steuerungsalgorithmen und hochzuverlässigen Strukturdesigns. Experimentelle Validierung zeigt, dass der entwickelte Prototyp in wichtigen Indikatoren wie Unterbrechungsgeschwindigkeit, Fehlererkennungsgenauigkeit und Betriebslebensdauer führende Leistungen erzielt.

Er realisiert erfolgreich mikrosekunden-schnelle Unterbrechung und eine Lebensdauer von einer Million Zyklus, was eine praktikable und machbare Lösung für den Schutz in neuen Energieverteilungssystemen bietet. Ausblickend gibt es viele vielversprechende Forschungsrichtungen für Niederspannungs-Gleichstrom-halbleiterbasierte Schalter. Zum Beispiel könnte die Einführung eines integrierten Simulationsmodells auf Geräte-Verpackung-Systemebene eine umfassendere Simulation der Leistung von halbleiterbasierten Schaltern unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermöglichen und somit eine genauere theoretische Unterstützung für die Optimierung des Designs bieten.