Κύριες Τεχνολογίες Χαμηλής Τάσης DC Σταθερού Κατάστατου Συνδέσμου

1 Τεχνικές Προκλήσεις

1.1 Σταθερότητα της Αλληλεπίδρασης Συσκευών
Στις πρακτικές εφαρμογές, η δυνατότητα φορτίου ρεύματος μιας μόνης ηλεκτρονικής συσκευής είναι σχετικά περιορισμένη. Για να καλυφθούν απαιτήσεις υψηλού ρεύματος, συχνά συνδέονται παράλληλα πολλές συσκευές. Ωστόσο, οι διαφορές στα παράμετρα μεταξύ των συσκευών, όπως λιγοστές διαφορές στην αντίσταση στον άνοδο και την θραύση, μπορούν να προκαλέσουν ανισόμοια κατανομή του ρεύματος κατά την παράλληλη λειτουργία. Κατά τη διάρκεια των μεταβατικών καταστάσεων, η παρασιτική αυξητικότητα και η παρασιτική ικανότητα οδηγούν σε ανισόμοιες ταχύτητες αλλαγής του ρεύματος μεταξύ των παράλληλων συσκευών, επιδεινώνοντας την ανισορροπία του ρεύματος. Εάν δεν αντιμετωπιστεί εγκαίρως, αυτή η ανισορροπία μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση και πτώση ορισμένων συσκευών λόγω υπερβολικού ρεύματος, μειώνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του στερεού κατακόπτη.

1.2 Καθυστερημένη Ανίχνευση Σφάλματος
Στα συστήματα DC, τα χαρακτηριστικά του ρεύματος σφάλματος διαφέρουν σημαντικά από εκείνα των συστημάτων AC, χωρίς σημεία μηδενικής διαστάσεως που βοηθούν στην ανίχνευση και διακοπή των σφαλμάτων. Αυτό απαιτεί από τους στερεούς κατακόπτες να χρησιμοποιούν αλγόριθμους ανίχνευσης σφαλμάτων σε μετρικό επίπεδο για την ακριβή ανίχνευση και ταχεία απάντηση. Οι παραδοσιακοί μεθόδοι ανίχνευσης σφαλμάτων παρουσιάζουν σημαντικές καθυστερήσεις όταν αντιμετωπίζουν ταχέως μεταβαλλόμενα ρεύματα σφαλμάτων DC, με αποτέλεσμα να μην μπορούν να καλύψουν τις απαιτήσεις ταχείας προστασίας.

1.3 Αντίθεση Μεταξύ Διασποράς Θερμότητας και Τόμου
Για να καλύψει την απαίτηση των σύγχρονων συστημάτων ενέργειας για υψηλή πυκνότητα ενέργειας, οι σχεδιασμοί στερεών κατακόπτων πρέπει να επιτυγχάνουν μεγαλύτερη δυνατότητα επεξεργασίας ενέργειας σε περιορισμένο χώρο. Ωστόσο, η υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας οδηγεί σε έντονη αύξηση της θερμότητας που παράγεται από τις ηλεκτρονικές συσκευές. Η ανεπαρκής διασπορά θερμότητας προκαλεί υπερβολικές θερμοκρασίες, που επιβαρύνουν την απόδοση των συσκευών και μπορούν να προκαλέσουν θερμική έκτροπη και πτώση της εξοπλισμού. Οι παραδοσιακές μεθόδοι ψύξης αντιμετωπίζουν προβλήματα με τους στερεούς κατακόπτες υψηλής πυκνότητας ενέργειας. Ενώ η υγρή ψύξη μπορεί να βελτιώσει την αποδοτικότητα διασποράς θερμότητας, αυξάνει το μέγεθος και το κόστος της εξοπλισμού. Έτσι, η εξισορρόπηση αποτελεσματικής ψύξης με ελεγχόμενο όγκο, επιτυγχάνοντας συνεργατική βελτιστοποίηση, παραμένει κεντρική πρόκληση στον σχεδιασμό στερεών κατακόπτων.

2 Έρευνα Κλειδί Τεχνολογιών

2.1 Τεχνολογία Εφαρμογής Συσκευών Πλάτους Ζώνης
(1) Επιλογή και Συσκευασία SiC MOSFET
Μεταξύ διάφορων συσκευών πλάτους ζώνης, οι SiC MOSFET με χαμηλή απώλεια συγκεκριμένης προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Για την ενίσχυση της απόδοσής τους σε εφαρμογές παράλληλων συσκευών, χρησιμοποιείται ένα συμμετρικό σχήμα Direct Bonded Copper (DBC). Αυτό το σχήμα μειώνει αποτελεσματικά την παρασιτική αυξητικότητα, η οποία είναι κρίσιμη για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών κατακόπτης των συσκευών. Κατά τη διάρκεια της κατακόπτης, ιδιαίτερα κατά την αποσύνδεση, η αλληλεπίδραση μεταξύ της παρασιτικής αυξητικότητας και της ικανότητας της συσκευής προκαλεί ταλάντευση της τάσης του πύλη. Οι πειραματικοί έλεγχοι δείχνουν ότι με ένα συμμετρικό DBC, η ταλάντευση της τάσης του πύλη κατά την αποσύνδεση μπορεί να ελεγχθεί κάτω από το 5%. Αυτό όχι μόνο βελτιώνει την δυναμική σταθερότητα κατά την παράλληλη λειτουργία, αλλά και μειώνει τον κίνδυνο ζημίας των συσκευών λόγω ταλάντευσης τάσης.

(2) Έλεγχος Δυναμικής Κατανομής Ρεύματος
Για την αντιμετώπιση της πρόκλησης της ανισορροπίας ρεύματος σε παράλληλες συσκευές, εισάγεται μια στρατηγική έλεγχου που συνδυάζει μια λειτουργία κατανομής ρεύματος με προσαρμοστικό PI κανονισμό. Η λειτουργία κατανομής ρεύματος, μέσω μοναδικού σχεδιασμού, παρέχει έναν ισορροπημένο δρόμο κατανομής ρεύματος για κάθε παράλληλη κλάδο σε φυσικό επίπεδο. Σε αυτή τη βάση, ένας προσαρμοστικός αλγόριθμος PI κανονισμού δυναμικά προσαρμόζει τα σήματα οδηγίας κάθε συσκευής με βάση την πραγματικοποιούμενη παρακολούθηση των ρευμάτων των κλάδων, επιτυγχάνοντας πιο ακριβή έλεγχο κατανομής ρεύματος.

2.2 Ταχεία Τεχνολογία Ανίχνευσης και Διακοπής Σφάλματος
(1) Ανίχνευση Σφάλματος Με Βάση την Τάση του Πύλη
Η ανάλυση των χαρακτηριστικών σύντομης σύνδεσης των SiC MOSFET αποκαλύπτει ότι κατά τη διάρκεια σφάλματος σύντομης σύνδεσης, η τάση drain-source (VDS) αυξάνεται γρήγορα στα 900V, ενώ η τάση του πύλη μειώνεται σημαντικά με περισσότερο από 10 V/ns. Χρησιμοποιώντας αυτό το χαρακτηριστικό, σχεδιάζεται ένας διπλός θραύσης συγκριτής για ταχεία ανίχνευση σφαλμάτων, ορίζοντας δύο θραύσεις ρεύματος: Ith1 = 500 A και Ith2 = 1.2 kA. Όταν το ανιχνεύσιμο ρεύμα υπερβαίνει την Ith1, εκτελείται ένα προειδοποιητικό σήμα. Η υπέρβαση της Ith2 ορίζει ένα συνεπιστημένο σύντομη σύνδεση. Το σχεδιασμένο κύκλωμα ανίχνευσης και ο αλγόριθμος επεξεργασίας σημάτων επιτυγχάνουν μια καθυστέρηση ανίχνευσης μόνο 0.8 μs. Αυτή η προσέγγιση αποφεύγει την πολύπλοκη μετατροπή και επεξεργασία σημάτων των παραδοσιακών μεθόδων, χρησιμοποιώντας τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των SiC MOSFET, βελτιώνοντας σημαντικά την ακρίβεια ανίχνευσης σφαλμάτων.

(2) Στρατηγική Διακοπής Με Πολλαπλούς Στόχους Βελτιστοποίησης
Για την επίτευξη υψηλής απόδοσης διακοπής σφαλμάτων στους στερεούς κατακόπτες, οι χρόνος διακοπής (Δt), η απορρόφηση ενέργειας (EMOV) και το ρεύμα κορύφης (Ipeak) ορίζονται ως στόχοι λειτουργίας, βελτιστοποιούμενοι με την χρήση ενός αλγορίθμου πολλαπλών στόχων particle swarm optimization (MOPSO). Ο μικρότερος χρόνος διακοπής παρέχει καλύτερη προστασία για την εξοπλισμό του συστήματος. Η απορρόφηση ενέργειας επηρεάζει την επιλογή και τη διάρκεια ζωής των προστατικών συστατικών όπως τα MOV. Το υπερβολικό ρεύμα κορύφης προκαλεί σημαντική ηλεκτρική ένταση, επηρεάζοντας την κανονική λειτουργία της εξοπλισμό.

Μέσω πολλαπλών επαναλήψεων βελτιστοποίησης MOPSO, καθορίζονται οι βέλτιστες παραμέτρους: ο περιοριστικός αυξητήρας LB = 15 μH και ο συντελεστής περιορισμού τάσης MOV γ = 1.8. Χρησιμοποιώντας αυτές τις βελτιστοποιημένες παραμέτρους, ο χρόνος διακοπής μειώνεται στα 73.5 μs, και το μέγιστο ρεύμα περιορίζεται στα 526 A. Για να δείξει οπτικά την επίδραση της βελτιστοποίησης, η μέθοδος TOPSIS αποφασιστικής λειτουργίας συγκρίνει τα αποτελέσματα πριν και μετά τη βελτιστοποίηση. Η σύγκριση δείχνει σημαντικές βελτιώσεις σε κλειδί αναφοράς όπως ο χρόνος διακοπής, η απορρόφηση ενέργειας και το ρεύμα κορύφης, ενισχύοντας σημαντικά την συνολική απόδοση και καλύτερα αποτελεσματικά τις πρακτικές επιχειρησιακές απαιτήσεις για ταχεία και αξιόπιστη διακοπή από τους στερεούς κατακόπτες.

2.3 Σχεδιασμός Υψηλής Αξιοπιστίας Μηχανικής Δομής
(1) Ισολατήρας Σταθερού Μαγνήτου
Για τη βελτίωση της αξιοπιστίας και της σταθερότητας των στερεών κατακόπτων, σχεδιάζεται ένας ισολατήρας σταθερού μαγνήτου με μηχανισμό διπλής σταθερότητας. Σε αυτή τη δομή, η δύναμη κράτησης για σύνδεση και αποσύνδεση παρέχεται κυρίως από σταθερούς μαγνήτες, με τον κύκλωμα να ενεργοποιείται μόνο προσωρινά κατά τη διάρκεια των πράξεων κατακόπτης. Αυτό μειώνει την κατανάλωση ενέργειας κατά περίπου 90% σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς ηλεκτρομαγνητικούς ισολατήρες. Η ανάλυση Adams δυναμικής προσομοίωσης δείχνει ότι η μηχανική ζωή αυτού του ισολατήρα σταθερού μαγνήτου υπερβαίνει το εκατομμύριο πράξεις, με ταχύτητα διαχωρισμού επαφής 3 m/s. Η υψηλή ταχύτητα διαχωρισμού επαφής εξασφαλίζει ταχεία διακοπή του κυκλώματος σε περίπτωση σφάλματος, μειώνοντας την πιθανότητα δημιουργίας τόξου και ενισχύοντας την δυνατότητα διακοπής του ισολατήρα. Η μακρά μηχανική ζωή εξασφαλίζει σταθερή απόδοση κατά τη διάρκεια μακράς χρήσης, μειώνοντας την συχνότητα συντήρησης και αντικατάστασης, παρέχοντας ισχυρή υποστήριξη για την αποτελεσματική λειτουργία του στερεού κατακόπτη.

(2) Λύση Διαχείρισης Θερμότητας
Για την αντιμετώπιση των προκλήσεων διασποράς θερμότητας σε σχεδιασμούς υψηλής πυκνότητας ενέργειας, προτείνεται μια υβριδική λύση ψύξης που συνδυάζει εξάτμιση με ψύξη εξαναγκασμένης αέρινης ανακύκλωσης. Η εξάτμιση χρησιμοποιεί την αρχή της απορρόφησης θερμότητας από την εξάτμιση υγρού, επιτρέποντας αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας σε συμπαγή χώρους. Η ψύξη εξαναγκασμένης αέρινης ανακύκλωσης ενισχύει περαιτέρω τη διασπορά θερμότητας μέσω της ανακύκλωσης αναγκαστικής αέρινης ανακύκλωσης. Αυτή η υβριδική μέθοδος ψύξης σταθεροποιεί την θερμοκρασία σημείου θερμότητας του μοντούλου κάτω από 75°C, με την ταχύτητα αύξησης θερμοκρασίας λιγότερη από 5°C/min, πληρούντας τις προδιαγραφές πρότυπου.III. Πειραματική Επαλήθευση

3 Πειραματική Επαλήθευση

3.1 Παράμετροι Πρωτο