تکنولوژی‌های کلیدی قطعکننده‌های مدار جامد پرتنش مستقیم کم‌توان

1 چالش‌های فنی

1.1 پایداری موازی‌سازی دستگاه‌ها
در کاربردهای عملی، ظرفیت جریان‌رسانی یک دستگاه الکترونیک قدرت معمولاً محدود است. برای برآورده کردن نیازهای جریان بالا، معمولاً چندین دستگاه به صورت موازی اتصال داده می‌شوند. با این حال، تغییرات پارامتری بین دستگاه‌ها - مانند تفاوت‌های جزئی در مقاومت روشن و ولتاژ آستانه - می‌تواند منجر به توزیع نامتقارن جریان در حالت موازی شود. در طول ترانزیت‌های سوئیچینگ، القای پارازیتی و خازنی موجب تغییر ناسازگار نرخ جریان بین دستگاه‌های موازی می‌شود و عدم توازن جریان را تشدید می‌کند. اگر این عدم توازن به موقع حل نشود، می‌تواند باعث گرم شدن و خرابی برخی دستگاه‌ها به دلیل جریان بیش از حد شود و بنابراین عمر مفید برش‌دهنده ثابت حالت را کاهش دهد.

1.2 تأخیر تشخیص خطا
در سیستم‌های DC، مشخصات جریان خطا به طور قابل توجهی با سیستم‌های AC متفاوت است و نقاط عبور از صفری وجود ندارد که در تشخیص و قطع خطا کمک می‌کنند. این امر نیازمند استفاده از الگوریتم‌های تشخیص خطا در سطح میکروثانیه در برش‌دهنده‌های ثابت حالت برای تشخیص دقیق خطا و واکنش سریع است. روش‌های تشخیص خطا سنتی در مواجهه با جریان‌های خطا DC که به سرعت تغییر می‌کنند، تأخیر قابل توجهی دارند و قادر به برآورده کردن نیازهای حفاظت سریع نیستند.

1.3 تضاد بین تخلیه حرارتی و حجم
برای برآورده کردن تقاضای سیستم‌های قدرت مدرن برای چگالی قدرت بالا، طراحی برش‌دهنده‌های ثابت حالت باید در فضای محدود قدرت بیشتری را مدیریت کند. با این حال، چگالی قدرت بالاتر منجر به افزایش تند حرارت تولید شده توسط دستگاه‌های الکترونیک قدرت می‌شود. تخلیه حرارتی ناکافی باعث دماهای بیش از حد می‌شود که عملکرد دستگاه را کاهش می‌دهد و ممکن است به رانش حرارتی و خرابی تجهیزات منجر شود. روش‌های خنک‌سازی سنتی در مواجهه با برش‌دهنده‌های ثابت حالت با چگالی قدرت بالا عملکرد ضعیفی دارند. در حالی که خنک‌سازی مایع می‌تواند کارایی تخلیه حرارتی را بهبود بخشد، این روش اندازه و هزینه تجهیزات را افزایش می‌دهد. بنابراین، چگونگی تعادل بین خنک‌سازی کارآمد و کنترل حجم معقول - به منظور بهینه‌سازی همکاری - همچنان یک چالش کلیدی در طراحی برش‌دهنده‌های ثابت حالت است.

2 تحقیق در فناوری‌های کلیدی

2.1 فناوری کاربرد دستگاه‌های با پهنای باند گسترده
(1) انتخاب و بسته‌بندی SiC MOSFET
در میان دستگاه‌های مختلف با پهنای باند گسترده، SiC MOSFET با زیان رسانی کم دارای مزایای قابل توجهی است. برای بهبود عملکرد آن‌ها در کاربردهای موازی چند دستگاهی، یک طرح DBC متقارن (Direct Bonded Copper) اتخاذ شده است. این طرح به طور موثر القای پارازیتی را کاهش می‌دهد که برای بهبود مشخصات سوئیچینگ دستگاه حیاتی است. در طول سوئیچینگ، به ویژه در زمان خاموش شدن، تعامل بین القای پارازیتی و ظرفیت دستگاه باعث نوسان ولتاژ گیت می‌شود. آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهد که با طرح DBC متقارن، نوسان ولتاژ گیت در زمان خاموش شدن می‌تواند کمتر از 5٪ کنترل شود. این نه تنها پایداری دینامیکی در حالت موازی را بهبود می‌بخشد بلکه خطر خرابی دستگاه ناشی از نوسان ولتاژ را نیز کاهش می‌دهد.

(2) کنترل تقسیم جریان دینامیکی
برای حل چالش عدم توازن جریان در دستگاه‌های موازی، یک استراتژی کنترل ترکیبی از اتوبوس تقسیم جریان و تنظیم PI تطبیقی معرفی شده است. اتوبوس تقسیم جریان، از طریق طراحی ساختاری منحصر به فرد، مسیر توزیع جریان متعادل برای هر شاخه موازی در سطح فیزیکی فراهم می‌کند. بر این اساس، الگوریتم تنظیم PI تطبیقی به طور دینامیکی سیگنال‌های رانش هر دستگاه را بر اساس نظارت مستمر بر جریان شاخه‌ها تنظیم می‌کند و کنترل دقیق‌تر تقسیم جریان را انجام می‌دهد.

2.2 فناوری تشخیص و قطع خطا سریع
(1) تشخیص خطا بر اساس ولتاژ گیت
تجزیه و تحلیل مشخصات خطا کوتاه‌مداری SiC MOSFET نشان می‌دهد که در طول خطا کوتاه‌مداری، ولتاژ drain-source (VDS) به سرعت به 900V افزایش می‌یابد و ولتاژ گیت به طور قابل توجهی با شیبی بیش از 10 V/ns کاهش می‌یابد. با استفاده از این مشخصه، یک مقایسه‌گر دو آستانه‌ای برای تشخیص سریع خطا طراحی شده است که دو آستانه جریان را تنظیم می‌کند: Ith1 = 500 A و Ith2 = 1.2 kA. وقتی جریان تشخیص داده شده از Ith1 بیشتر شود، هشدار اولیه‌ای تحریک می‌شود؛ از Ith2 گذشتن نشان‌دهنده خطا کوتاه‌مداری تأیید شده است. مدار تشخیص طراحی شده و الگوریتم پردازش سیگنال فقط تأخیر 0.8 میکروثانیه دارد. این روش با استفاده از مشخصات الکتریکی ذاتی SiC MOSFET، فرآیندهای تبدیل و پردازش سیگنال پیچیده روش‌های سنتی را دور می‌زند و دقت تشخیص خطا را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

(2) استراتژی قطع بهینه‌شده چندهدفه
برای دستیابی به قطع خطا با عملکرد بالا در برش‌دهنده‌های ثابت حالت، زمان قطع (Δt)، جذب انرژی (EMOV) و جریان پیک (Ipeak) به عنوان توابع هدف تنظیم شده و با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ذرات چندهدفه (MOPSO) بهینه‌سازی می‌شوند. زمان قطع کوتاه‌تر محافظت بهتری برای تجهیزات سیستم فراهم می‌کند؛ جذب انرژی انتخاب و عمر مفید اجزای محافظ مانند MOVs را تحت تأثیر قرار می‌دهد؛ جریان پیک بیش از حد باعث تنش الکتریکی قابل توجهی می‌شود که عملکرد عادی تجهیزات را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

از طریق چندین تکرار بهینه‌سازی MOPSO، پارامترهای بهینه تعیین شدند: القای محدودکننده LB = 15 μH و ضریب محدودکننده ولتاژ MOV γ = 1.8. با استفاده از این پارامترهای بهینه، زمان قطع به 73.5 میکروثانیه کاهش یافت و جریان ماکسیمم به 526 A محدود شد. برای نشان دادن تأثیر بهینه‌سازی به صورت بصری، روش تصمیم‌گیری TOPSIS نتایج قبل و بعد از بهینه‌سازی را مقایسه می‌کند. مقایسه نشان می‌دهد که در شاخص‌های کلیدی مانند زمان قطع، جذب انرژی و جریان پیک بهبود قابل توجهی دیده می‌شود و عملکرد کلی را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد و به طور بهتری نیازهای مهندسی عملی برای قطع سریع و قابل اعتماد توسط برش‌دهنده‌های ثابت حالت را برآورده می‌کند.

2.3 طراحی ساختار مکانیکی با قابلیت اطمینان بالا
(1) سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی
برای بهبود قابلیت اطمینان و پایداری برش‌دهنده‌های ثابت حالت، یک سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی با استفاده از مکانیسم دو حالتی مغناطیس دائمی طراحی شده است. در این ساختار، نیروی نگهداری برای بستن و باز کردن اصلی توسط مغناطیس‌های دائمی فراهم می‌شود و سیم‌پیچ فقط به طور موقت در طول عملیات سوئیچینگ تغذیه می‌شود. این کار مصرف انرژی را نسبت به سوئیچ‌های جداکننده الکترومغناطیسی سنتی تقریباً 90٪ کاهش می‌دهد. تحلیل شبیه‌سازی دینامیک Adams نشان می‌دهد که عمر مکانیکی این سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی بیش از یک میلیون عملیات است و سرعت جدا شدن تماس 3 m/s است. سرعت جدا شدن تماس بالا مطمئن می‌کند که در زمان وقوع خطا، مدار به سرعت قطع شود و احتمال ایجاد قوس الکتریکی را کاهش دهد و قابلیت قطع سوئیچ را افزایش دهد. عمر مکانیکی طولانی عملکرد پایدار را در طول استفاده مداوم تضمین می‌کند و فرکانس نگهداری و جایگزینی را کاهش می‌دهد و بنابراین پشتیبانی قوی برای عملکرد کارآمد برش‌دهنده ثابت حالت فراهم می‌کند.

(2) راه‌حل مدیریت حرارتی
برای حل چالش‌های تخلیه حرارتی در طراحی‌های با چگالی قدرت بالا، راه‌حل خنک‌سازی ترکیبی شامل خنک‌سازی تبخیری و خنک‌سازی مجبور هوایی پیشنهاد شده است. خنک‌سازی تبخیری از اصل جذب حرارت توسط تبخیر مایع استفاده می‌کند و انتقال حرارت کارآمد را در فضاهای کوچک فراهم می‌کند. خنک‌سازی مجبور هوایی از طریق مکانیزم مجبور کننده هوایی با فن، تخلیه حرارت را افزایش می‌دهد. این روش خنک‌سازی ترکیبی دمای نقطه گرم تراشه را زیر 75°C ثابت نگه می‌دارد و نرخ افزایش دما کمتر از 5°C/min است که مطابق با استانداردها است.III. تایید آزمایشی

3 تایید آزمایشی

3.1 پارامترهای پروتاتیپ
برای تأیید اثربخشی فناوری‌های کلیدی و طرح‌های طراحی، یک پروتاتیپ از برش‌دهنده ثابت حالت DC با ولتاژ کم توسعه یافته است که پارامترهای اصلی آن به شرح زیر است:

3.2 نتایج آزمون نوع

آزمون‌های جامع نوعی بر روی پروتاتیپ انجام شد تا ارزیابی شود که آیا عملکرد آن مطابق با نیازهای کاربرد عملی است:

(1) آزمون قطع خطا کوتاه‌مداری
خطا کوتاه‌مداری از جمله خطاهای شدید در سیستم‌های قدرت است و جریان لحظه‌ای بسیار بزرگی که تولید می‌کند تهدید قابل توجهی برای عملکرد تجهیزات است. برای شبیه‌سازی این شرایط بحرانی، محیط آزمون با جریان کوتاه‌مداری 23 kA ایجاد شد - چالش سختی برای برش‌دهنده ثابت حالت. در شروع آزمون، پروتاتیپ به سرعت فعال شد و فناوری تشخیص و قطع خطا سریع داخلی آن شروع به عمل کرد. این فناوری، از طریق نظارت جریان با دقت بالا و مکانیسم پاسخ سریع، جریان غیرعادی را در زمان بسیار کوتاهی تشخیص داد و فرآیند قطع را فوراً تحریک کرد.

در طول قطع، کارکنان آزمون عملکرد برش‌دهنده را به دقت مشاهده کردند و در طول فرآیند هیچ بازاینیقی ایجاد نشد. این نتیجه نه تنها کارایی بالای فناوری تشخیص و قطع خطا سریع را نشان می‌دهد بلکه عملکرد قطع فوق‌العاده برش‌دهنده ثابت حالت را نیز برجسته می‌کند. در برش‌دهنده‌های سنتی، بازاینیقی یک مشکلی است که اغلب اجتناب‌ناپذیر است و معمولاً منجر به خطاهای ثانویه یا حتی خرابی شدید تجهیزات می‌شود. در مقابل، برش‌دهنده ثابت حالت با استفاده از فناوری‌های قطع پیشرفته، این مشکل را موفقیت‌آمیز رفع می‌کند و بنابراین پشتیبانی قوی برای عملکرد پایدار سیستم‌های قدرت فراهم می‌کند.

(2) آزمون افزایش دما
عملکرد حرارتی یکی دیگر از عوامل کلیدی در ارزیابی برش‌دهنده‌های ثابت حالت است. برای ارزیابی مؤثر قابلیت تخلیه حرارتی دستگاه در طول عملکرد طولانی، آزمون افزایش دما انجام شد. پروتاتیپ باید به طور مداوم برای 24 ساعت عملکرد داشته باشد که در طی آن مقدار قابل توجهی حرارت تولید می‌شود [9]. پس از آزمون، سنسورهای دما برای اندازه‌گیری دمای پروتاتیپ استفاده شدند. نتایج نشان داد که افزایش دما ΔT = 32 K است. این داده‌ها مؤثر بودن راه‌حل خنک‌سازی ترکیبی شامل خنک‌سازی تبخیری و خنک‌سازی مجبور هوایی را تأیید می‌کنند. با ترکیب اصول طبیعی تخلیه حرارتی خنک‌سازی تبخیری و مجبور کننده هوایی، سیستم به طور کارآمد حرارت تولید شده در طول عملکرد را تخلیه می‌کند و مطمئن می‌شود که دستگاه در محدوده دمایی قابل قبول باقی بماند. مدیریت حرارتی خوب نه تنها عملکرد پایدار برش‌دهنده ثابت حالت را تضمین می‌کند بلکه عمر مفید آن را نیز افزایش می‌دهد.

(3) آزمون عمر مفید
عمر مفید شاخصی مهم برای تعیین اینکه آیا برش‌دهنده ثابت حالت می‌تواند به طور گسترده در سیستم‌های قدرت واقعی استفاده شود یا نه. بنابراین، برای تأیید عملکرد عمر مفید، پروتاتیپ یک آزمون تحمل یک میلیون چرخه عملیاتی انجام داد. در طول آزمون، کارکنان به طور نزدیک تغییرات مقاومت تماس پروتاتیپ را نظارت کردند. پس از آزمون، مقاومت تماس اندازه‌گیری شد و مشخص شد که تغییر آن کمتر از 5٪ بود. این نتیجه مؤثر بودن طراحی عمر مفید طولانی سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی را تأیید می‌کند. حتی پس از عملکرد طولانی و مکرر، تماس‌های سوئیچ حفظ رسانایی عالی خود را حفظ می‌کنند و عملکرد قابل اعتماد روشن/خاموش برش‌دهنده ثابت حالت را تضمین می‌کنند.

4 نتیجه‌گیری
به طور خلاصه، این مقاله یک راه‌حل فنی برای برش‌دهنده‌های ثابت حالت DC با ولتاژ کم بر اساس تحقیقات عمیق در فناوری‌های کلیدی، از جمله بهینه‌سازی دستگاه‌های با پهنای باند گسترده، الگوریتم‌های کنترل هوشمند و طراحی ساختاری با قابلیت اطمینان بالا ارائه می‌دهد. اعتبارسنجی آزمایشی نشان می‌دهد که پروتاتیپ توسعه یافته عملکرد رهبرانه در شاخص‌های کلیدی مانند سرعت قطع، دقت تشخیص خطا و عمر مفید عملکردی دارد.

این پروتاتیپ با موفقیت قطع سریع در سطح میکروثانیه و عمر مفید یک میلیون چرخه عملیاتی را محقق می‌کند و یک راه‌حل عملی و قابل اجرا برای حفاظت در سیستم‌های توزیع قدرت نوین ارائه می‌دهد. در آینده، چندین جهت تحقیق واعظ برای برش‌دهنده‌های ثابت حالت DC با ولتاژ کم وجود دارد. به عنوان مثال، ایجاد یک مدل شبیه‌سازی یکپارچه در سطح دستگاه-بسته‌بندی-سیستم می‌تواند به طور جامع‌تر عملکرد برش‌دهنده‌های ثابت حالت را در شرایط عملیاتی مختلف شبیه‌سازی کند و بنابراین پشتیبانی نظری دقیق‌تری برای بهینه‌سازی طراحی فراهم کند.