فناوری‌های کلیدی قطعکننده‌های مدار جامد ولتاژ پایین مستقیم

۱ چالش‌های فنی

۱.۱ پایداری موازی شدن دستگاه‌ها
در کاربردهای عملی، ظرفیت جریان‌رسانی یک دستگاه الکترونیک قدرت معمولاً محدود است. برای رفع نیازهای جریان بالا، اغلب چندین دستگاه به صورت موازی متصل می‌شوند. با این حال، تغییرات پارامتری بین دستگاه‌ها، مانند تفاوت‌های کوچک در مقاومت روشن و ولتاژ آستانه، می‌تواند منجر به توزیع نامساوی جریان در حالت موازی شدن شود. در طول ترانزیت‌های سوئیچینگ، اندازه‌گیری‌های پارازیتی و خازنی منجر به نامتوازن بودن نرخ تغییر جریان بین دستگاه‌های موازی می‌شود که این نامتوازنی را تشدید می‌کند. اگر این نامتوازنی به موقع حل نشود، می‌تواند باعث سرمازدگی و خرابی برخی دستگاه‌ها به دلیل جریان زیاد شود و در نتیجه عمر مفید برش‌گر ثابت حالت را کاهش می‌دهد.

۱.۲ تأخیر تشخیص خطا
در سیستم‌های DC، مشخصات جریان خطا به طور قابل توجهی با سیستم‌های AC متفاوت است و نقاط عبور از صفری که در تشخیص و قطع خطا کمک می‌کنند وجود ندارند. این موضوع نیازمند استفاده از الگوریتم‌های تشخیص خطا در سطح میکروثانیه برای تشخیص دقیق خطا و واکنش سریع است. روش‌های تشخیص خطا متعارف در مواجهه با جریان‌های خطا DC که به سرعت تغییر می‌کنند، تأخیر قابل توجهی دارند و قادر به برآوردن نیازهای محافظت سریع نیستند.

۱.۳ تضاد بین تخلیه گرمایی و حجم
برای رفع نیازهای سیستم‌های قدرت مدرن به چگالی قدرت بالا، طراحی برش‌گرهای ثابت حالت باید بتواند ظرفیت قدرت بیشتری در فضای محدودی را مدیریت کند. با این حال، چگالی قدرت بالاتر منجر به افزایش تند گرمای تولید شده توسط دستگاه‌های الکترونیک قدرت می‌شود. تخلیه گرمایی ناکافی باعث دمای بیش از حد می‌شود که عملکرد دستگاه را تضعیف می‌کند و ممکن است منجر به گریز گرمایی و خرابی تجهیزات شود. تکنیک‌های خنک‌سازی متعارف در برش‌گرهای ثابت حالت با چگالی قدرت بالا عملکرد ضعیفی دارند. در حالی که خنک‌سازی مایع می‌تواند کارایی تخلیه گرمایی را بهبود بخشد، اما حجم و هزینه تجهیزات را افزایش می‌دهد. بنابراین، چگونگی تعادل بین خنک‌سازی موثر و کنترل حجم مناسب - که به بهینه‌سازی همکاری‌ای منجر می‌شود - همچنان یکی از چالش‌های کلیدی در طراحی برش‌گرهای ثابت حالت است.

۲ تحقیقات فناوری کلیدی

۲.۱ فناوری کاربرد دستگاه‌های با پهنای باند گسترده
(۱) انتخاب و بسته‌بندی SiC MOSFET
در میان دستگاه‌های مختلف با پهنای باند گسترده، SiC MOSFET با افت کم دارای مزایای قابل توجهی است. برای بهبود عملکرد آن در کاربردهای موازی چند دستگاهی، یک طرح DBC (Direct Bonded Copper) متقارن استفاده می‌شود. این طرح به طور مؤثری اندازه‌گیری پارازیتی را کاهش می‌دهد که برای بهبود مشخصات سوئیچینگ دستگاه بسیار مهم است. در طول سوئیچینگ، به ویژه در زمان خاموش شدن، تعامل بین اندازه‌گیری پارازیتی و ظرفیت دستگاه باعث نوسان ولتاژ دروازه می‌شود. آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهد که با استفاده از طرح DBC متقارن، نوسان ولتاژ دروازه در زمان خاموش شدن می‌تواند به کمتر از ۵٪ کنترل شود. این نه تنها پایداری دینامیکی در حالت موازی شدن را بهبود می‌بخشد بلکه خطر خرابی دستگاه ناشی از نوسان ولتاژ را نیز کاهش می‌دهد.

(۲) کنترل تقسیم جریان دینامیکی
برای رفع چالش نامتوازنی جریان در دستگاه‌های موازی، یک استراتژی کنترلی ترکیبی شامل یک اتوبوس تقسیم جریان با تنظیم PI تطبیقی معرفی شده است. اتوبوس تقسیم جریان، از طریق طراحی ساختاری منحصر به فرد، مسیر توزیع جریان متعادلی برای هر شاخه موازی در سطح فیزیکی فراهم می‌کند. بر این اساس، الگوریتم تنظیم PI تطبیقی سیگنال‌های محرک هر دستگاه را بر اساس نظارت زنده بر جریان شاخه‌ها به طور دینامیکی تنظیم می‌کند و کنترل دقیق‌تر تقسیم جریان را انجام می‌دهد.

۲.۲ فناوری تشخیص و قطع خطا با سرعت بالا
(۱) تشخیص خطا بر اساس ولتاژ دروازه
تحلیل مشخصات خطا کوتاه‌مداری SiC MOSFET نشان می‌دهد که در زمان خطا کوتاه‌مداری، ولتاژ منبع-سراسر (VDS) به سرعت به ۹۰۰ V می‌رسد و ولتاژ دروازه به طور قابل توجهی با شیبی بیش از ۱۰ V/ns کاهش می‌یابد. با استفاده از این مشخصه، یک مقایسه‌کننده دو آستانه‌ای برای تشخیص سریع خطا طراحی شده است که دو آستانه جریان را تنظیم می‌کند: Ith1 = ۵۰۰ A و Ith2 = ۱.۲ kA. وقتی جریان شناسایی شده بیش از Ith1 باشد، یک هشدار اولیه تولید می‌شود؛ بیش از Ith2 نشان‌دهنده خطا کوتاه‌مداری تأیید شده است. مدار تشخیص طراحی شده و الگوریتم پردازش سیگنال موجب تأخیر تشخیص فقط ۰.۸ μs می‌شود. این روش با استفاده از مشخصات الکتریکی ذاتی SiC MOSFET، از تبدیل و پردازش سیگنال‌های پیچیده روش‌های متعارف دور می‌شود و دقت تشخیص خطا را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

(۲) استراتژی قطع با بهینه‌سازی چند هدفه
برای دستیابی به قطع خطا با عملکرد بالا در برش‌گرهای ثابت حالت، زمان قطع (Δt)، جذب انرژی (EMOV) و جریان اوج (Ipeak) به عنوان توابع هدف تنظیم شده و با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی گروه ذرات چند هدفه (MOPSO) بهینه می‌شوند. زمان قطع کوتاه‌تر محافظت بهتری برای تجهیزات سیستم ارائه می‌دهد؛ جذب انرژی بر انتخاب و عمر مفید اجزای محافظ مانند MOV تأثیر می‌گذارد؛ جریان اوج بیش از حد باعث تنش الکتریکی قابل توجه می‌شود و عملکرد عادی تجهیزات را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

با چندین تکرار بهینه‌سازی MOPSO، پارامترهای بهینه تعیین می‌شوند: القای محدودکننده LB = ۱۵ μH و ضریب محدودکننده ولتاژ MOV γ = ۱.۸. با استفاده از این پارامترهای بهینه، زمان قطع به ۷۳.۵ μs کاهش می‌یابد و جریان حداکثر به ۵۲۶ A محدود می‌شود. برای نمایش بصری اثر بهینه‌سازی، روش تصمیم‌گیری TOPSIS نتایج قبل و بعد از بهینه‌سازی را مقایسه می‌کند. مقایسه نشان می‌دهد که شاخص‌های کلیدی مانند زمان قطع، جذب انرژی و جریان اوج به طور قابل توجهی بهبود یافته‌اند و عملکرد کلی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند و بهترین پاسخ به نیازهای مهندسی برای قطع سریع و قابل اعتماد توسط برش‌گرهای ثابت حالت را ارائه می‌دهند.

۲.۳ طراحی ساختار مکانیکی با قابلیت اطمینان بالا
(۱) سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی
برای بهبود قابلیت اطمینان و پایداری برش‌گرهای ثابت حالت، یک سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی با مکانیسم مغناطیس دائمی دو وضعیتی طراحی شده است. در این ساختار، نیروی نگهداری برای بستن و باز کردن عمدها توسط مغناطیس‌های دائمی فراهم می‌شود و پیچ فقط به طور موقت در طول عملیات سوئیچینگ تغذیه می‌شود. این کار مصرف انرژی را نسبت به سوئیچ‌های جداکننده الکترومغناطیسی متعارف به حدود ۹۰٪ کاهش می‌دهد. تحلیل دینامیکی Adams نشان می‌دهد که عمر مکانیکی این سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی بیش از یک میلیون عملیات است و سرعت جدایی تماس ۳ m/s است. سرعت جدایی تماس بالا مطمئن می‌کند که در زمان وقوع خطا، مدار به سرعت قطع می‌شود و احتمال ایجاد قوس الکتریکی کاهش می‌یابد و قابلیت قطع سوئیچ را افزایش می‌دهد. عمر مکانیکی طولانی اطمینان از عملکرد پایدار در طول استفاده طولانی مدت را فراهم می‌کند و فرکانس نگهداری و تعویض را کاهش می‌دهد و به این ترتیب پشتیبانی قوی برای عملکرد کارآمد برش‌گر ثابت حالت ارائه می‌دهد.

(۲) راه‌حل مدیریت گرمایی
برای رفع چالش‌های تخلیه گرمایی در طراحی‌های با چگالی قدرت بالا، یک راه‌حل خنک‌سازی ترکیبی شامل خنک‌سازی تبخیری و خنک‌سازی مجبور هوایی پیشنهاد شده است. خنک‌سازی تبخیری از اصل جذب گرما توسط تبخیر مایع استفاده می‌کند که به انتقال گرما به طور موثر در فضاهای کوچک می‌پردازد. خنک‌سازی مجبور هوایی از طریق همرفت مجبور موتوردار انتقال گرما را تقویت می‌کند. این روش خنک‌سازی ترکیبی دمای نقطه گرم مدول را زیر ۷۵°C ثابت می‌کند و نرخ افزایش دما کمتر از ۵°C/min است و نیازهای استاندارد را برآورده می‌کند.III. تایید آزمایشی

۳ تایید آزمایشی

۳.۱ پارامترهای پروتотیپ
برای تایید اثربخشی فناوری‌های کلیدی و طرح‌های طراحی، یک پروتوتیپ از برش‌گر ثابت حالت DC پایین ولتا توسعه یافته است که پارامترهای اصلی آن به شرح زیر است:

۳.۲ نتایج آزمون نوع

آزمون‌های نوع کاملی بر روی پروتوتیپ انجام شد تا عملکرد آن را در مورد نیازهای کاربرد عملی ارزیابی کند:

(۱) آزمون قطع خطا کوتاه‌مداری
خطاهای کوتاه‌مداری از جمله خطاهای شدید در سیستم‌های قدرت هستند و جریان لحظه‌ای عظیمی که تولید می‌کنند تهدید قابل توجهی برای عملکرد تجهیزات ایجاد می‌کنند. برای شبیه‌سازی این شرایط افراطی، محیط آزمونی با جریان کوتاه‌مداری ۲۳ kA ایجاد شد - که چالشی سخت برای برش‌گر ثابت حالت است. در ابتدا آزمون، پروتوتیپ به سرعت فعال شد و فناوری تشخیص و قطع خطا با سرعت بالا داخل آن شروع به کار کرد. این فناوری از طریق نظارت دقیق بر جریان و مکانیسم پاسخ سریع، جریان غیرعادی را در زمان بسیار کوتاه شناسایی کرد و فرآیند قطع را به طور فوری آغاز کرد.

در طول قطع، کارشناسان آزمون عملکرد برش‌گر را به دقت مشاهده کردند و در طول فرآیند هیچ بازآتشی قوسی رخ نداد. این نتیجه نه تنها کارایی بالای فناوری تشخیص و قطع خطا با سرعت بالا را نشان می‌دهد بلکه عملکرد قطع برجسته برش‌گر ثابت حالت را نیز برجسته می‌کند. در برش‌گرهای متعارف، بازآتشی قوسی یک مسئله‌ای است که اغلب اجتناب‌ناپذیر است و معمولاً منجر به خطاهای ثانویه یا حتی خرابی شدید تجهیزات می‌شود. در مقابل، برش‌گر ثابت حالت با استفاده از تکنیک‌های قطع پیشرفته، این مشکل را به طور موفقیت‌آمیزی رفع می‌کند و به این ترتیب پشتیبانی قوی برای عملکرد پایدار سیستم‌های قدرت ارائه می‌دهد.

(۲) آزمون افزایش دما
عملکرد حرارتی یکی از عوامل کلیدی در ارزیابی برش‌گرهای ثابت حالت است. برای ارزیابی موثر قابلیت تخلیه گرمایی دستگاه در طول عملکرد طولانی‌مدت، یک آزمون افزایش دما انجام شد. پروتوتیپ باید به طور مداوم برای ۲۴ ساعت کار کند که در طول آن مقدار قابل توجهی گرما تولید می‌شود [۹]. پس از آزمون، از سنسورهای دما برای اندازه‌گیری دمای پروتوتیپ استفاده شد. نتایج نشان داد که افزایش دما ΔT = ۳۲ K است. این داده‌ها موثر بودن راه‌حل خنک‌سازی ترکیبی شامل خنک‌سازی تبخیری و خنک‌سازی مجبور هوایی را تأیید می‌کند. با ترکیب اصول طبیعی تخلیه گرما در خنک‌سازی تبخیری و همرفت مجبور در خنک‌سازی مجبور هوایی، سیستم به طور موثر گرما تولید شده در طول عملکرد را تخلیه می‌کند و مطمئن می‌شود که دستگاه در محدوده دمای قابل قبول باقی می‌ماند. مدیریت گرمایی خوب نه تنها عملکرد پایدار برش‌گر ثابت حالت را تضمین می‌کند بلکه عمر مفید آن را نیز افزایش می‌دهد.

(۳) آزمون عمر مفید
عمر مفید یک شاخص کلیدی برای تعیین اینکه آیا یک برش‌گر ثابت حالت می‌تواند به طور گسترده‌ای در سیستم‌های قدرت واقعی کاربرد یابد یا نه. بنابراین، برای تأیید عملکرد عمر مفید، پروتوتیپ یک آزمون تحمل یک میلیون چرخه عملیاتی را انجام داد. در طول آزمون، کارشناسان تغییرات مقاومت تماس پروتوتیپ را به دقت نظارت کردند. پس از آزمون، مقاومت تماس اندازه‌گیری شد و مشخص شد که تغییر آن کمتر از ۵٪ است. این نتیجه موثر بودن طراحی عمر مفید بلند مدت سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی را تأیید می‌کند. حتی پس از عملیات طولانی و مکرر، تماس‌های سوئیچ همچنان هدایت‌پذیری عالی دارند و عملکرد قابل اعتماد روشن و خاموش برش‌گر ثابت حالت را تضمین می‌کنند.

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

این پروتوتیپ به طور موفقیت‌آمیزی قطع سریع در سطح میکروثانیه و عمر مفید یک میلیون چرخه عملیاتی را محقق می‌کند و یک راه‌حل عملی و امکان‌پذیر برای محافظت در سیستم‌های توزیع قدرت نوین ارائه می‌دهد. به نظر می‌رسد که در آینده، مسیرهای تحقیق بسیار واعظه‌ای برای برش‌گرهای ثابت حالت DC پایین ولتا وجود دارد. به عنوان مثال، ایجاد یک مدل شبیه‌سازی یکپارچه در سطح دستگاه-بسته‌بندی-سیستم می‌تواند به طور کامل‌تر عملکرد برش‌گرهای ثابت حالت را در شرایط مختلف عملیاتی شبیه‌سازی کند و بنابراین پشتیبانی نظری دقیق‌تری برای بهینه‌سازی طراحی ارائه کند.