Tecnologías Clave de los Interruptores de Circuito de Estado Sólido en Corriente Directa de Baja Tensión
1 Desafíos Técnicos
1.1 Estabilidad del Paralelismo de Dispositivos
En las aplicaciones prácticas, la capacidad de corriente de un solo dispositivo electrónico de potencia es relativamente limitada. Para satisfacer los requisitos de alta corriente, a menudo se conectan en paralelo varios dispositivos. Sin embargo, las variaciones de parámetros entre los dispositivos, como ligeras diferencias en la resistencia en estado de conducción y el voltaje umbral, pueden causar una distribución desigual de la corriente durante la operación en paralelo. Durante las transiciones de conmutación, la inductancia y la capacitancia parásitas llevan a tasas de cambio de corriente inconsistentes entre los dispositivos en paralelo, exacerbando el desequilibrio de corriente. Si no se aborda rápidamente, este desequilibrio puede causar que ciertos dispositivos se sobrecalienten y fallen debido a una corriente excesiva, reduciendo así la vida útil del interruptor de circuito de estado sólido.
1.2 Retardo en la Detección de Fallos
En sistemas DC, las características de la corriente de fallo difieren significativamente de los sistemas AC, careciendo de puntos de cruce cero que ayudan en la detección e interrupción de fallos. Esto requiere que los interruptores de circuito de estado sólido utilicen algoritmos de detección de fallos a nivel de microsegundos para identificar con precisión los fallos y responder rápidamente. Los métodos tradicionales de detección de fallos sufren retrasos significativos al tratar con corrientes de fallo DC que cambian rápidamente, lo que los hace incapaces de cumplir con las demandas de protección rápida.
1.3 Contradicción Entre Disipación de Calor y Volumen
Para satisfacer la demanda de alta densidad de potencia en los sistemas de potencia modernos, los diseños de interruptores de circuito de estado sólido deben lograr un mayor manejo de potencia en un espacio limitado. Sin embargo, una mayor densidad de potencia conduce a un aumento brusco en el calor generado por los dispositivos electrónicos de potencia. Una disipación de calor inadecuada causa temperaturas excesivas, degradando el rendimiento de los dispositivos y potencialmente desencadenando una fuga térmica y el fallo del equipo. Las técnicas de enfriamiento convencionales tienen un rendimiento pobre con interruptores de estado sólido de alta densidad de potencia. Aunque el enfriamiento líquido puede mejorar la eficiencia de la disipación de calor, aumenta el tamaño y el costo del equipo. Por lo tanto, cómo equilibrar un enfriamiento eficiente con un control razonable del volumen, logrando una optimización sinérgica, sigue siendo un desafío clave en el diseño de interruptores de circuito de estado sólido.
2 Investigación de Tecnologías Clave
2.1 Tecnología de Aplicación de Dispositivos de Ancho de Banda Amplio
(1) Selección y Envasado de MOSFETs de SiC
Entre los diversos dispositivos de ancho de banda amplio, los MOSFETs de SiC de baja pérdida de conducción ofrecen ventajas significativas. Para mejorar su rendimiento en aplicaciones de múltiples dispositivos en paralelo, se adopta un diseño simétrico de Direct Bonded Copper (DBC). Este diseño reduce efectivamente la inductancia parásita, lo cual es crucial para mejorar las características de conmutación del dispositivo. Durante la conmutación, especialmente en el apagado, la interacción entre la inductancia parásita y la capacitancia del dispositivo provoca oscilaciones en el voltaje de la puerta. Las pruebas experimentales muestran que, con un diseño simétrico de DBC, las oscilaciones del voltaje de la puerta durante el apagado se pueden controlar a menos del 5%. Esto no solo mejora la estabilidad dinámica durante la operación en paralelo, sino que también reduce el riesgo de daño al dispositivo causado por las oscilaciones de voltaje.
(2) Control de Compartición Dinámica de Corriente
Para abordar el desafío del desequilibrio de corriente en dispositivos en paralelo, se introduce una estrategia de control que combina un bus de compartición de corriente con regulación PI adaptativa. El bus de compartición de corriente, a través de un diseño estructural único, proporciona una ruta de distribución de corriente equilibrada para cada rama paralela a nivel físico. Sobre esta base, un algoritmo de regulación PI adaptativo ajusta dinámicamente las señales de conducción de cada dispositivo basándose en el monitoreo en tiempo real de las corrientes de las ramas, logrando un control de compartición de corriente más preciso.
2.2 Tecnología de Detección e Interrupción Rápida de Fallos
(1) Detección de Fallos Basada en Voltaje de Puerta
El análisis de las características de cortocircuito de los MOSFETs de SiC revela que, durante un fallo de cortocircuito, el voltaje drenador-fuente (VDS) se eleva rápidamente a 900V, mientras que el voltaje de la puerta disminuye significativamente con una pendiente superior a 10 V/ns. Aprovechando esta característica, se diseña un comparador de doble umbral para la detección rápida de fallos, estableciendo dos umbrales de corriente: Ith1 = 500 A e Ith2 = 1.2 kA. Cuando la corriente detectada supera Ith1, se activa una advertencia preliminar; superar Ith2 indica un fallo de cortocircuito confirmado. El circuito de detección diseñado y el algoritmo de procesamiento de señales logran un retardo de detección de solo 0.8 μs. Este enfoque evita la conversión y procesamiento de señales complejas de los métodos tradicionales, utilizando las características eléctricas inherentes del MOSFET de SiC, mejorando significativamente la precisión de la detección de fallos.
(2) Estrategia de Interrupción Optimizada Multiobjetivo
Para lograr una interrupción de fallos de alto rendimiento en interruptores de circuito de estado sólido, se establecen como funciones objetivo el tiempo de interrupción (Δt), la absorción de energía (EMOV) y la corriente de arranque (Ipeak), optimizadas mediante un algoritmo de optimización de enjambre de partículas multiobjetivo (MOPSO). Un tiempo de interrupción más corto proporciona mejor protección para el equipo del sistema; la absorción de energía afecta la selección y la vida útil de componentes protectores como MOVs; una corriente de arranque excesiva causa un estrés eléctrico significativo, impactando la operación normal del equipo.
A través de múltiples iteraciones de optimización MOPSO, se determinan los parámetros óptimos: inductor limitador de corriente LB = 15 μH y coeficiente de limitación de voltaje de MOV γ = 1.8. Utilizando estos parámetros optimizados, el tiempo de interrupción se reduce a 73.5 μs, y la corriente máxima se limita a 526 A. Para demostrar visualmente el efecto de la optimización, el método de toma de decisiones TOPSIS compara los resultados antes y después de la optimización. La comparación muestra mejoras significativas en indicadores clave como el tiempo de interrupción, la absorción de energía y la corriente de arranque, mejorando enormemente el rendimiento general y cumpliendo mejor con los requisitos prácticos de ingeniería para una interrupción rápida y confiable por parte de los interruptores de circuito de estado sólido.
2.3 Diseño de Estructura Mecánica de Alta Fiabilidad
(1) Interruptor Aislador de Imán Permanente
Para mejorar la fiabilidad y estabilidad de los interruptores de circuito de estado sólido, se diseña un interruptor aislador de imán permanente que emplea un mecanismo de imán permanente bistable. En esta estructura, la fuerza de mantenimiento para cerrar y abrir se proporciona principalmente por imanes permanentes, con la bobina energizada solo momentáneamente durante las operaciones de conmutación. Esto reduce el consumo de energía en aproximadamente un 90% en comparación con los interruptores aisladores electromagnéticos tradicionales. El análisis de simulación dinámica Adams muestra que la vida mecánica de este interruptor aislador de imán permanente supera los 1 millón de operaciones, con una velocidad de separación de contacto de 3 m/s. La alta velocidad de separación de contacto asegura una desconexión rápida del circuito ante la ocurrencia de un fallo, reduciendo la probabilidad de generación de arcos y mejorando la capacidad de interrupción del interruptor. La larga vida mecánica garantiza un rendimiento estable durante un uso prolongado, reduciendo la frecuencia de mantenimiento y reemplazo, proporcionando así un fuerte soporte para la operación eficiente del interruptor de circuito de estado sólido.
(2) Solución de Gestión Térmica
Para abordar los desafíos de disipación de calor en diseños de alta densidad de potencia, se propone una solución de refrigeración híbrida que combina la refrigeración evaporativa con la refrigeración forzada por aire. La refrigeración evaporativa utiliza el principio de evaporación de líquidos que absorben calor, permitiendo una transferencia de calor eficiente en espacios compactos. La refrigeración forzada por aire refuerza aún más la disipación de calor mediante la convección forzada impulsada por ventiladores. Este método de refrigeración híbrido estabiliza la temperatura de los puntos calientes del módulo por debajo de 75°C, con una tasa de incremento de temperatura inferior a 5°C/min, cumpliendo con los requisitos estándar.III. Verificación Experimental
3 Verificación Experimental
3.1 Parámetros del Prototipo
Para verificar la efectividad de las tecnologías clave y los esquemas de diseño, se desarrolló un prototipo de interruptor de circuito de estado sólido de corriente continua de baja tensión, con los principales parámetros siguientes:
3.2 Resultados de Pruebas de Tipo
Se realizaron pruebas de tipo completas en el prototipo para evaluar si su rendimiento cumple con los requisitos para aplicaciones prácticas:
(1) Prueba de Interrupción de Cortocircuito
Los fallos de cortocircuito son uno de los tipos de fallos más severos en los sistemas de potencia, y la enorme corriente instantánea que generan representa una amenaza significativa para la operación del equipo. Para simular esta condición extrema, se estableció un entorno de prueba de corriente de cortocircuito de 23 kA, planteando un desafío riguroso para el interruptor de circuito de estado sólido. Al inicio de la prueba, el prototipo se activó rápidamente, y su tecnología integrada de detección e interrupción de fallos rápidos comenzó a funcionar. Esta tecnología, a través del monitoreo de corriente de alta precisión y un mecanismo de respuesta rápida, detectó la corriente anormal en un tiempo extremadamente corto y desencadenó inmediatamente el proceso de interrupción.
Durante la interrupción, el personal de pruebas observó de cerca el rendimiento del interruptor, y no se produjo ninguna reencendido de arco durante todo el proceso. Este resultado no solo demuestra la alta eficiencia de la tecnología de detección e interrupción de fallos rápidos, sino que también resalta el excelente rendimiento de interrupción del interruptor de circuito de estado sólido. En los interruptores de circuito tradicionales, el reencendido de arco es un problema difícil de evitar, que a menudo conduce a fallos secundarios o incluso a daños graves en el equipo. En contraste, el interruptor de circuito de estado sólido evita exitosamente este problema a través de técnicas avanzadas de interrupción, proporcionando así un fuerte soporte para la operación estable de los sistemas de potencia.
(2) Prueba de Elevación de Temperatura
El rendimiento térmico es otro factor clave en la evaluación de los interruptores de circuito de estado sólido. Para evaluar eficazmente la capacidad de disipación de calor del dispositivo durante la operación prolongada, se realizó una prueba de elevación de temperatura. Se requirió que el prototipo operara continuamente durante 24 horas, durante las cuales se generó un calor significativo [9]. Después de la prueba, se utilizaron sensores de temperatura para medir la temperatura del prototipo. Los resultados mostraron una elevación de temperatura de ΔT = 32 K. Estos datos confirman la eficacia de la solución de refrigeración híbrida que combina la refrigeración evaporativa y la refrigeración forzada por aire. Al integrar el principio natural de disipación de calor de la refrigeración evaporativa con la convección forzada de la refrigeración forzada por aire, el sistema disipa eficientemente el calor generado durante la operación, asegurando que el dispositivo permanezca dentro de un rango de temperatura aceptable. Una buena gestión térmica no solo garantiza la operación estable del interruptor de circuito de estado sólido, sino que también prolonga su vida útil.
(3) Prueba de Duración
La vida útil es un indicador crítico para determinar si un interruptor de circuito de estado sólido puede ser ampliamente aplicado en sistemas de potencia reales. Por lo tanto, para verificar su rendimiento de duración, el prototipo fue sometido a una prueba de resistencia de un millón de ciclos de operación. A lo largo de la prueba, el personal monitoreó de cerca los cambios en la resistencia de contacto del prototipo. Después de la prueba, se midió la resistencia de contacto y se encontró que había cambiado en menos del 5%. Este resultado valida la efectividad del diseño de larga duración del interruptor aislador de imán permanente. Incluso después de operaciones prolongadas y frecuentes, los contactos del interruptor mantienen una excelente conductividad, asegurando la funcionalidad confiable de encendido y apagado del interruptor de circuito de estado sólido.
4 Conclusión
En resumen, este artículo presenta una solución técnica para interruptores de circuito de estado sólido de corriente continua de baja tensión basada en una investigación en profundidad de las tecnologías clave, incluyendo la optimización de dispositivos de ancho de banda amplio, algoritmos de control inteligente y diseño estructural de alta fiabilidad. La validación experimental muestra que el prototipo desarrollado logra un rendimiento líder en indicadores clave como la velocidad de interrupción, la precisión de detección de fallos y la vida útil operativa.
Logra con éxito una interrupción a nivel de microsegundos y una vida útil de un millón de ciclos, proporcionando una solución práctica y factible para la protección en sistemas de distribución de energía renovable. Mirando hacia el futuro, hay muchas direcciones prometedoras de investigación para los interruptores de circuito de estado sólido de corriente continua de baja tensión. Por ejemplo, establecer un modelo de simulación integrado a nivel de dispositivo-empaquetado-sistema podría simular de manera más completa el rendimiento de los interruptores de circuito de estado sólido bajo diversas condiciones de operación, proporcionando así un soporte teórico más preciso para la optimización del diseño.
