Madalvoolu DC tahvlipõhiste lülitite võtmestehnoloogiad

1 Tehnilised väljakutsed

1.1 Seadmete paralleelkäitumise stabiilsus
Praktikas on ühe energiaelektronika seadme elektrivooluvedavus suhteliselt piiratud. Suuremate elektrivooludeks kasutatakse sageli mitmeid seadmeid paralleelselt. Kuid seadmete parameetrite erinevused, nagu näiteks sisselehter ja kinnituspinge väikesed erinevused, võivad põhjustada paralleelkäitumise ajal ebavõrdse elektrivoolu. Lülitamisel tekitavad parasitilised induktiivsus ja kapatsiitvus lisaks erineva muutumiskiiruse paralleelsed seadmed, mis veelgi halvendab elektrivoolu ebatasakaalu. Kui seda ebatasakaalu ei lahendata kiiresti, võib see põhjustada mõne seadme ülemäärase soojenemise ja katkemise, mis vähendab tahvelkäikuvarbri eluiga.

1.2 Viga tuvastamise viivitus
DC-süsteemides on vigase elektrivoo omadused oluliselt erinevad AC-süsteemidega, ilma nullpunkti, mis aitaks vigade tuvastamist ja katkestamist. See nõuab tahvelkäikuvarbreid, et kasutada mikrosekundite tasandil vigade tuvastamise algoritme, et täpselt tuvastada vigu ja kiiresti reageerida. Traditsioonilised vigade tuvastamise meetodid kannatavad olulistest viivitustest, kui käsitlustakse kiiresti muutuvaid DC-vigaelektrivoo, mis ei vasta kiire kaitsmise nõudmistele.

1.3 Soojenemise ja ruumi vasturääkimine
Et rahuldada tänapäeva energiasüsteemide nõudmist suure jõudluse tiheduse järele, peavad tahvelkäikuvarbrite disainid saavutama suurema jõudluse piiratud ruumis. Kuid suurem jõudluse tihedus toob kaasa elektriseadmete poolt genereeritud soojuse olulise kasvu. Ebasobiv soojenemine põhjustab liiga kõrgeid temperatuure, mis heidutavad seadmete tööd ja võivad tekitada lämmikjooksu ja seadmete katkemise. Tavalised jäähenda meetodid ei suuda hästi kohaneda suure jõudluse tihedusega tahvelkäikuvarbritega. Kuigi vedelike jäähendamine suurendab jäähenduse efektiivsust, suurendab see seadmete suurust ja hinda. Seega, kuidas leida tasakaal jäähenduse efektiivsuse ja mõõdikate kontrolli vahel, jääb oluliseks väljakutseks tahvelkäikuvarbrite disainis.

2 Oluliste tehnoloogiate uurimine

2.1 Laia lõnguga seadmete rakenduste tehnoloogia
(1) SiC MOSFET valik ja pakimeetod
Erinevatest laia lõnguga seadmetest on madal kondukteerimispotentsiaaliga SiC MOSFETidel olulised eelised. Parandamaks nende tööd mitme seadme paralleelses rakenduses kasutatakse sümmeetrilist DBC paigutust. See paigutus vähendab efektiivselt parasitilist induktiivsust, mis on oluline seadmete lülitamise omaduste parandamiseks. Lülitamisel, eriti väljalülitamisel, põhjustab parasitilise induktiivsuse ja seadme kapatsiitvuse interaktsioon vaategipeli lünke. Katsed näitavad, et sümmeetrilise DBC paigutusega saab väljalülitamisel vaategipeli lünked kontrollida alla 5%. See parandab dünaamilist stabiilsust paralleelses töös ja vähendab seadmete kahjustamise ohtu lünketega.

(2) Dünaamiline elektrivoolu jagamise juhtimine
Elektrivoolu ebatasakaalu paralleelses töös lahendamiseks esitatakse juhtstrategia, mis kombinib elektrivoolu jagamise bussi ja kohandava PI reguleerimise. Elektrivoolu jagamise buss, unikaalse struktuuriga, pakub igale paralleelsele harule füüsikaliselt tasakaalustatud elektrivoolu jaotamise tee. Selle alusel kohandab kohandava PI reguleerimise algoritm iga seadme juhtsignaale, jälgides reaalajas harude elektrivoolu, saavutades täpsemat elektrivoolu jagamise kontrolli.

2.2 Kiire vigade tuvastamise ja katkestamise tehnoloogia
(1) Vaategipeli alusel vigade tuvastamine
SiC MOSFETi lühikutevigade omaduste analüüs näitab, et lühikute vigade ajal tõuseb draaini-allikas pingeline (VDS) kiiresti 900V-ni, samas kui vaategipeli langab oluliselt, ületades 10 V/ns. Selle omaduse kasutamisel on disainitud kiire vigade tuvastamiseks topeltpiiriline võrdlus, millel on kaks elektrivoolupiiri: Ith1 = 500 A ja Ith2 = 1.2 kA. Kui tuvastatav elektrivool ületab Ith1, aktiveeritakse varajane hoiatus; Ith2 ületamisel tõendatakse lühikute vigu. Disainitud tuvastamise tsükkel ja signaalitöötluse algoritm saavutavad tuvastamise viivituse ainult 0.8 μs. See meetod kasutab SiC MOSFETi omaniku elektroonilisi omadusi, vältides traditsiooniliste meetodite komplekseid signaalide konverteerimist ja töötlemist, oluliselt parandades vigade tuvastamise täpsust.

(2) Mitme eesmärgi optimiseeritud katkestamise strateegia
Tahvelkäikuvarbrite kõrgetasemelise vigakatkestamise saavutamiseks on katkestamisaeg (Δt), energia absorptsioon (EMOV) ja ülevool (Ipeak) seatud eesmärkide funktsiooniks, mis on optimiseeritud mitme eesmärgi tähedepulkade optimeerimise (MOPSO) algoritmi abil. Lühem katkestamisaeg pakub paremat kaitset süsteemi seadmetele; energia absorptsioon mõjutab kaitsekomponentide, nagu MOV, valikut ja eluiga; ülevoolte üleliigne suurus tekitab olulise elektrilise pinget, mõjutades seadmete normaalsust. MOPSO optimeerimise mitmeid itereeringuid järel on määratud optimaalsed parameetrid: elektrivoolu piirav induktor LB = 15 μH ja MOVi pingepingelduskoefitsient γ = 1.8. Nendega optimiseeritud parameetritega on katkestamisaeg vähendatud 73.5 μs-ni ja maksimaalne elektrivool piiratud 526 A-le. Optimeerimise efekti näha saamiseks võrreldakse TOPSIS otsusemeetodil tulemusi enne ja pärast optimeerimist. Võrdlus näitab olulisi parandusi olulistes indikaatorites, nagu katkestamisaeg, energia absorptsioon ja ülevool, oluliselt parandades üldist jõudlust ja paremini rahuldades praktiliste inseneri nõudmisi kiire ja usaldusväärse vigakatkestamise järele tahvelkäikuvarbritelt.

2.3 Kõrge usaldusväärsusega mehaaniline struktuuri disain
(1) Püsivmagneetiline isolatsioonilüliti
Tahvelkäikuvarbrite usaldusväärsuse ja stabiilsuse parandamiseks on disainitud pusivmagneetiline isolatsioonilüliti, mis kasutab bistabilset pusivmagneetset mehanismi. Selles struktuuris pannakse sulgemise ja avamise hooldusjõud peamiselt pusivmagneetidelt, kusjuures spiraal töötab ainult hetkena lülitamisel. See vähendab võrdlusega traditsiooniliste elektromagnetiliste isolatsioonilülititega energiat tarbimist umbes 90%. Adamsi dünaamiline simulatsioonanalüüs näitab, et pusivmagneetilise isolatsioonilülitite mehaaniline eluiga ületab 1 miljonit toimingut, kontaktide eraldamiskiirus 3 m/s. Kõrge kontaktide eraldamiskiirus tagab kiire süsteemi eraldamise vigade korral, vähendades lõkke tekke tõenäosust ja parandades lüliti katkestamisvõimet. Pikk mehaaniline eluiga tagab stabiilse töö pikas kasutuses, vähendades hoolduse ja asendamise sagedust, pakkudes sellega tugevat toetust tahvelkäikuvarbri efektiivseks tööks.

(2) Soojenemise halduse lahendus
Kõrge jõudluse tihedusega disainide soojenemise probleemide lahendamiseks on esitatud ühendatud jäähenduslahendus, mis kombinib evaporiivset jäähendust ja sunnitud õhujäähendust. Evaporiivne jäähendus kasutab vedeliku evaporiimise soojuse absorbimise printsiipi, võimaldades efektiivset soojuse edastamist kompaktses ruumis. Sunnitud õhujäähendus tugevdab soojuse edastamist ventilatori abil sunnitud konveksiooni. See ühendatud jäähendusmeetod stabiliseerib mooduli külmikupaika temperatuuri alla 75°C, temperatuuri tõusu kiirusega vähem kui 5°C/min, vastavalt standardnõuetele.III. Katsealune kinnitamine

3 Katsealune kinnitamine

3.1 Prototüübi parameetrid
Oluliste tehnoloogiate ja disainiloogika tõhususe kinnitamiseks on arendatud madala pingega DC tahvelkäikuvarbri prototüüp, mille peamised parameetrid on järgmised:

3.2 Tüübikatse tulemused

Prototüübil on läbitud täielik tüübikatse, et hinnata, kas selle tööparameetrid vastavad praktiliste rakenduste nõudmistele:

(1) Lühikute vigade katkestamise katse
Lühikuted vigad on kõige tõsisemad vigatüübid energiasüsteemides, ja neile omast suurest hetkeloopisündinud elektrivoost tuleb oluline ohu seadmete tööle. Sellise äärmise tingimuse simulatsiooniks on loodud 23 kA lühikute vigade elektrivoo katsetuskonditsioon – tahvelkäikuvarbri jaoks raske väljakutse. Katse alguses aktiveeris prototüüp kiiresti ja selle sisemine kiire vigade tuvastamise ja katkestamise tehnoloogia hakkas tööle. See tehnoloogia, kõrge täpsusega elektrivoolu jälgimise ja kiire reageerimismeetodi kaudu, tuvastas ebatavalise elektrivoo äärmiselt lühikese aja jooksul ja käivitas kohe katkestamisprotsessi.

Katkestamise ajal jälgisid katsetajad tähelepanelikult lüliti tööd, ja kogu protsessi vältel ei ilmunud uuesti lõkke. See tulemus näitab kiire vigade tuvastamise ja katkestamise tehnoloogia kõrget tõhusust, kuid ka tahvelkäikuvarbri suurepärast katkestamisjõudlust. Traditsioonilistes lülitetes on lõkke uuesti ilmnemine raske vältida, mis tihti põhjustab teisi vigu või isegi tõsiseid seadmete kahjustusi. Vastupidiselt sellele, vältib tahvelkäikuvarbri eduka tehnoloogiaga seda probleemi, pakkudes tugevat toetust energiasüsteemide stabiilseks tööks.

(2) Temperatuuri tõusu katse
Soojenemine on teine oluline tegur tahvelkäikuvarbrite hindamisel. Pikaajalise töö ajal seadme soojenemise võimsuse tõhusa hindamiseks on läbitud temperatuuri tõusu katse. Prototüübist nõuti 24 tunni jooksul pidevat tööd, mille käigus genereeritakse oluline hulk soojust [9]. Katse lõpus mõõditi prototüübi temperatuuri temperatuursensorite abil. Tulemused näitasid temperatuuri tõusu ΔT = 32 K. See andmete kinnitab ühendatud jäähendusmeetodi, mis kombinib evaporiivset jäähendust ja sunnitud õhujäähendust, tõhusust. Evaporiivse jäähenduse loomuliku soojuse leviku printsiibi integreerimisel sunnitud konveksiooniga tagab süsteem efektiivselt soojuse edastamise töö ajal, tagades, et seade jääb vastuvõetava temperatuuri piiri sees. Hea soojuse haldus tagab tahvelkäikuvarbri stabiilse töö ja pikendab selle eluiga.

(3) Eluiga katse
Eluiga on kriitiline näitaja, mis määrab, kas tahvelkäikuvarbri saab laialdaselt rakendada reaalses energiasüsteemides. Seetõttu, et kinnitada selle eluiga jõudlust, läbiti prototüübile miljonitöötsüklite kestev kattuvuslik katse. Katse käigus jälgisid inimesed tähelepanelikult prototüübi kontaktresistentsi muutusi. Katse lõpus mõõdeti kontaktresistents ja leiti, et see oli muutunud vähem kui 5%. See tulemus kinnitab pusivmagneetilise isolatsioonilülitite pikaelu disaini tõhusust. Isegi pika ja sagedase kasutuse järel säilitavad lüliti kontaktid suurepärase juhitavuse, tagades tahvelkäikuvarbri usaldusväärse sisse- ja väljalülitamise.

4 Järeldus
Kokkuvõttes esitatakse selles artiklis madala pingega DC tahvelkäikuvarbrite tehniline lahendus, mis põhineb oluliste tehnoloogiate sügavas uurimisel, sealhulgas laia lõnguga seadmete optimiseerimisel, intelligentsed juhtimisalgoritmid ja kõrge usaldusväärsusega struktuuri disain. Katsealune kinnitamine näitab, et arendatud prototüüp saavutab juhtivaid jõudluse näitajaid, nagu katkestamise kiirus, vigade tuvastamise täpsus ja tööeluiga.

See on edukalt realiseerinud mikrosekundite tasandil kiire katkestamise ja miljonitöötsüklite eluiga, pakkudes praktilist ja realistlikku lahendust uue energia jaotussüsteemide kaitsmiseks. Edaspidi on madala pingega DC tahvelkäikuvarbritel palju lootustäitavaid uurimissuundi. Näiteks seadme-pakenduse-süsteemi tasandi integreeritud simulatsioonimudeli loomine võimaldaks täpsemalt simuleerida tahvelkäikuvarbrite jõudlust erinevates töötingimustes, pakkudes nii täpsemat teoreetilist toetust disaini optimiseerimiseks.