Alaajännitteisten DC-pääsyynsulkuvalvojien keskeiset teknologiat

1 Tekniset haasteet

1.1 Laiteparalleliuksen vakaus
Käytännössä yhden sähkökäyttöisen laitteen virtasitovuus on suhteellisen rajoitettu. Korkean virran vaatimusten tyydyttämiseksi useita laitteita yhdistetään usein paralleeliin. Kuitenkin laitteiden väliset parametrimuutokset – kuten pieniä eroja siltavastuksessa ja kynnysjännitteessä – voivat aiheuttaa epätasaisen virjanjakautumisen paralleeliyhteydessä. Kytkentäväliaikana parasittinen induktanssi ja kapasitiivisuus johtavat lisäksi eri virtojen muutosnopeuden epätasaistumiseen paralleelissa olevissa laitteissa, mikä pahentaa virjanepätasapainoa. Jos tämä epätasapaino ei käsitellä nopeasti, se voi aiheuttaa tietyissä laitteissa liian korkean virran vuoksi ylikuumenemisen ja särötyksen, mikä vähentää kiinteän aineen pistokeilaimen käyttöikää.

1.2 Vian havaitsemisen viive
Johdonvillaisissa järjestelmissä vian virtojen ominaisuudet poikkeavat merkittävästi vaihtojärjestelmien ominaisuuksista, sillä niissä puuttuvat nollakohdat, jotka auttavat vian havaitsemisessa ja keskeyttämisessä. Tämä edellyttää, että kiinteän aineen pistokeilaimet käyttävät mikrosekuntitasoisia vian havaitsevia algoritmeja vian tarkkaan tunnistamiseen ja nopeaan reagointiin. Perinteiset vian havaitsemismenetelmät kärsivät huomattavasta viiveestä nopeasti muuttuvien johdonvillaisen vian virtojen käsittelyssä, minkä vuoksi ne eivät kykene vastaamaan nopean suojauksen vaatimuksiin.

1.3 Lämpötilan siirtäminen ja tilavuuden välinen ristiriita
Modernien sähköjärjestelmien vaatimukset korkeasta tehostiheydestä edellyttävät, että kiinteän aineen pistokeilaimeissa saavutetaan suurempi teho rajatulla tilalla. Korkeampi tehostiheys johtaa kuitenkin sähkökäyttöisten laitteiden tuottaman lämpöenergian huomattavaan kasvuun. Riittämätön lämmön siirto aiheuttaa liian korkean lämpötilan, mikä heikentää laitteen toimintakykyä ja voi aiheuttaa lämpökierron ja laitteen särötyksen. Perinteiset jäähdytysmenetelmät eivät toimi hyvin korkean tehostiheyden kiinteän aineen pistokeilaimilla. Vaikka nestejäähdytys parantaa lämpösiirron tehokkuutta, se lisää laitteen kokoa ja kustannuksia. Siksi tehokkaan jäähdytyksen ja kohtuullisen tilavuuden välisen tasapainon saavuttaminen – synergiaoptimoiminen – on edelleen keskeinen haaste kiinteän aineen pistokeilaimeissa.

2 Avainteknologian tutkimus

2.1 Laajakaistanlaite sovellustechnologia
(1) SiC MOSFET-valintat ja paketointi
Monista laajakaistanlaitteista alhainen johtotappio SiC MOSFET-tarjoaa merkittäviä etuja. Monen laitteen paralleelin sovelluksissa sen suorituskykyä parantamiseksi on otettu käyttöön symmetrinen Direct Bonded Copper (DBC) -asettelu. Tämä asettelu vähentää tehokkaasti parasittista induktanssia, mikä on olennaisen tärkeää laitteen kytkentäominaisuuksien parantamiseksi. Kytkentäväliin, erityisesti suljettaessa, parasittinen induktanssi ja laitteen kapasitiivisuus aiheuttavat porttijännitteen heilahtelua. Kokeelliset testit osoittavat, että symmetrisen DBC-asettelun avulla porttijännitteen heilahtelu suljettaessa voidaan ohjata alle 5 %. Tämä parantaa dynaamista vakautta paralleliyhteydessä ja vähentää laitteen särötyksen riskiä jännitteen heilahtelun vuoksi.

(2) Dynaaminen virjanjakautumisen hallinta
Paralleelissa olevien laitteiden virjanjakautumisen haasteeseen on esitetty hallintastrategia, joka yhdistää virjanjakautumisen bussin ja adaptiivisen PI-sääntelyn. Virjanjakautumisen bussi tarjoaa fysikaalisella tasolla tasapainoisen virjanjakautumisen polun jokaiselle paralleelille olevalle haaralle ainutlaatuisella rakenteellisella suunnittelulla. Tämän perusteella adaptiivinen PI-sääntelyalgoritmi säädösäästöihin perustuen reaaliaikaisesti havaittuun virtojen jakautumiseen, saavuttaen tarkemman virjanjakautumisen hallinnan.

2.2 Nopea vian havaitseminen ja keskeyttäminen
(1) Vian havaitseminen porttijännitteen perusteella
SiC MOSFET:n lyhytsolmun ominaisuusten analyysi paljastaa, että lyhytsolmun vian aikana jännite lähdettä ja vastaanottimesta (VDS) noussee nopeasti 900V:een, kun taas porttijännite laskee merkittävästi kuin yli 10 V/ns. Tämän ominaisuuden hyödyntäminen nopeaan vian havaitsemiseen on suunniteltu kaksikynnyksinen vertailu, jossa on asetettu kaksi virrantasoa: Ith1 = 500 A ja Ith2 = 1,2 kA. Kun havaittu virra ylittää Ith1, aktivoidaan ensimmäinen varoitus; Ith2:ta ylittäessä vahvistetaan lyhytsolmu. Suunnitellun havaitseminen piirin ja signaalinkäsittelyalgoritmin avulla saavutetaan vain 0,8 μs:n havaitsemisviive. Tämä menetelmä hyödyntää SiC MOSFET:n luonnollisia sähköisiä ominaisuuksia, mikä merkittävästi parantaa vian havaitsemisen tarkkuutta.

(2) Monitavoitteinen optimoitu keskeyttämisstrategia
Kiinteän aineen pistokeilaimeissa korkean suorituskykyisen vian keskeyttämisen saavuttamiseksi keskeyttämisajan (Δt), energian absorptio (EMOV) ja huipputulivirta (Ipeak) on asetettu tavoitefunktioiksi, jotka optimoidaan monitavoitteisella partikkeliuugisyntymäalgoritmilla (MOPSO). Lyhyempi keskeyttämisajo aikaisee parempaa suojauksen järjestelmän laitteille; energian absorptio vaikuttaa suojalaitteiden, kuten MOVien, valintaan ja käyttöikään; liian suuri huipputulivirta aiheuttaa huomattavan sähköisen stressin, mikä vaikuttaa normaaliin laitteen toimintaan.

Useiden MOPSO-optimoitujen kierrosten jälkeen määritetty optimaalinen parametri on: rajoittava induktori LB = 15 μH ja MOV:n jännite rajoittava kerroin γ = 1,8. Nämä optimoitujen parametrien avulla keskeyttäisajaa on pystytty vähentämään 73,5 μs:iin ja enimmäisvirta on rajoitettu 526 A:aan. Optimoituva vaikutus on havainnollistettu TOPSIS-päätösmenetelmällä tulosten vertailulla ennen ja jälkeen optimoinnin. Vertailu osoittaa, että keskeyttäisajassa, energian absorptiossa ja huipputulivirrassa on tapahtunut huomattavia parannuksia, mikä parantaa huomattavasti kokonaissuorituskykyä ja vastaa paremmin käytännön insinööriongelmaan nopean ja luotettavan keskeyttämisen tarpeisiin kiinteän aineen pistokeilaimeissa.

2.3 Korkean luotettavuuden mekaaninen rakennemuoto
(1) Pysyvä magnetti erottaja
Kiinteän aineen pistokeilaimeiden luotettavuuden ja vakauden parantamiseksi on suunniteltu pysyvän magneettisen erottajan, joka käyttää bistabilaista pysyvän magneettisen mekanismia. Tässä rakenteessa suljetun ja avatun pitämistä tarjoavat pääasiassa pysyvät magneetit, kun kiertosolu on päälle vain hetken ajan kytkentaoperaatioiden aikana. Tämä vähentää energiaa noin 90 % verrattuna perinteisiin sähkömagneettisiin erottajiin. Adams-dynaamisessa simulointianalyysissä osoitetaan, että tämän pysyvän magneettisen erottajan mekaaninen elinkaari ylittää miljoona toimintoa, kontaktien erottumisnopeudella 3 m/s. Korkea kontaktien erottumisnopeus takaa nopean piirin katkeamisen vian ilmetessä, mikä vähentää kaaren syntymisen todennäköisyyttä ja parantaa erottajan keskeyttämisominaisuuksia. Pitkä mekaaninen elinkaari takaa vakaita ominaisuuksia pitkäaikaiseen käyttöön, vähentäen huollon ja korvaamisen taajuutta, mikä tarjoaa vahvan tuen kiinteän aineen pistokeilaimen tehokkaalle toiminnalle.

(2) Lämpöhallintaratkaisu
Korkean tehostiheyden suunnittelun lämpösiirron haasteisiin vastaamiseksi on ehdotettu hybridijäähdytysratkaisu, joka yhdistää höyryjäähdytys ja pakotettu ilmajäähdytys. Höyryjäähdytys hyödyntää nesteen evaporaation lämpöenergian imuriperiaatetta, mikä mahdollistaa tehokkaan lämpösiirron kompaktissa tilassa. Pakotettu ilmajäähdytys vahvistaa lisäksi lämpösiirtoa tuuletin ajamalla pakotetuilla konvektionilla. Tämä hybridijäähdytysmenetelmä stabiloi moduulin kuuman pisteen lämpötilan alle 75°C, lämpötilan nousunopeudella alle 5°C/min, mikä täyttää standardivaatimukset.III. Kokeellinen vahvistus

3 Kokeellinen vahvistus

3.1 Prototyypin parametrit
Avainteknologioiden ja suunnitteluratkaisujen tehokkuuden vahvistamiseksi on kehitetty alhaisen jännitteen DC-kiinteän aineen pistokeilaimen prototyyppi, jonka pääparametrit ovat seuraavat:

3.2 Tyypitesti tulokset

Prototyypille on suoritettu kattavia tyypitestejä arvioimaan, täyttääkö sen suorituskyky käytännön sovellusten vaatimukset:

(1) Lyhytsolmun keskeyttämistesti
Lyhytsolmut ovat sähköjärjestelmien vakavimpia vianlajeja, ja niiden aiheuttama valtava hetkellinen virta muodostaa huomattavan uhkan laitteen toiminnalle. Tämän äärimmäisen tilanteen simuloimiseksi on luotu 23 kA:n lyhytsolmun virtatestiympäristö – joka asettaa kovaan haasteeseen kiinteän aineen pistokeilaimen. Testin alkaessa prototyyppi aktivoitui nopeasti, ja sen sisäinen nopea vian havaitseminen ja keskeyttäminen aloitti toimintansa. Tämä teknologia, korkean tarkkuuden virran valvonnalla ja nopealla reagointimekanismilla, havaitsee epänormaalin virran hyvin lyhyessä ajassa ja aktivoi välittömästi keskeyttämisprosessin.

Keskeyttämisessä testihenkilöstö seurasi tarkasti pistokeilaimen suoritusta, ja prosessissa ei tapahtunut kaaren uudelleensyntymistä. Tämä tulos osoittaa nopean vian havaitseminen ja keskeyttäminen teknologian korkean tehokkuuden, mutta myös kiinteän aineen pistokeilaimen erinomaisen keskeyttämisominaisuuden. Perinteisissä pistokeilaimissa kaaren uudelleensyntyminen on vaikea välttää ongelma, joka usein johtaa toissijaisiin vioihin tai jopa vakaviin laitteen särötyksiin. Kiinteän aineen pistokeilaimen avulla onnistutaan välttämään tämä ongelma edistyneiden keskeyttämis tekniikoiden avulla, mikä tarjoaa vahvan tuen sähköjärjestelmien vakaudelle.

(2) Lämpötilan nousutesti
Lämpösuorituskyky on toinen keskeinen tekijä kiinteän aineen pistokeilaimien arvioinnissa. Tehokkaan lämpösiirron arvioimiseksi pitkäaikaisessa käytössä on suoritettu lämpötilan nousutesti. Prototyyppiä vaadittiin toimimaan jatkuvasti 24 tuntia, jolloin siihen syntyi huomattava määrä lämpöä [9]. Testin jälkeen lämpömittareilla mitattiin prototyypin lämpötila. Tulokset osoittivat, että lämpötilan nousu oli ΔT = 32 K. Tämä data vahvistaa hybridijäähdytysratkaisun tehokkuuden, joka yhdistää höyryjäähdytys ja pakotettu ilmajäähdytys. Luonnollisen lämpösiirron periaatteen ja pakotetun konvektion integroimalla järjestelmä siirtää tehokkaasti toiminnan aikana syntyvän lämpöenergian, varmistamalla, että laite pysyy hyväksyttävällä lämpötilatasolla. Hyvä lämpöhallinta ei ainoastaan takaa kiinteän aineen pistokeilaimen vakauden, vaan myös pidentää sen käyttöikää.

(3) Elinkaari testi
Elinkaarimerkitys on ratkaiseva indikaattori sille, voiko kiinteän aineen pistokeilaimen laajasti soveltaa todellisiin sähköjärjestelmiin. Siksi elinkaarin suorituskyvyn vahvistamiseksi prototyyppiä on testattu miljoonan toimintokierroksen kestävyystestissä. Testin aikana henkilökunta seurasi tarkasti prototyypin kontaktiresistanssin muutoksia. Testin jälkeen mittatun kontaktiresistanssin muutos oli alle 5 %. Tämä tulos vahvistaa pysyvän magneettisen erottajan pitkäikäisen suunnittelun tehokkuuden. Jopa pitkäaikaisessa ja usein toistuvassa käytössä kontaktit säilyttävät erinomaisen johtavuuden, varmistamalla kiinteän aineen pistokeilaimen luotettavan toiminnan.

4 Johtopäätös
Yhteenvetona tämä artikkeli esittelee teknisen ratkaisun alhaisen jännitteen DC-kiinteän aineen pistokeilaimelle perustuen avainteknologioiden syvälliseen tutkimukseen, mukaan lukien laajakaistanlaitteiden optimointi, älykkäät ohjausalgoritmit ja korkean luotettavuuden rakennemuodot. Kokeellinen vahvistus osoittaa, että kehitetty prototyyppi saavuttaa johtavan suorituskyvyn keskeisissä indikaattoreissa, kuten keskeyttämisnopeudessa, vian havaitsemisen tarkkuudessa ja toiminnallinen elinkaari.

Se onnistuu mikrosekuntitasoisessa nopeassa keskeyttämisessä ja miljoonan toimintokierroksen elinkaari, tarjoten käytännöllisen ja toteuttamiskelpoisen ratkaisun uusiutuvan energian sähköjakelujärjestelmien suojaamiseen. Tulevaisuudessa on paljon lupaavia tutkimussuuntia alhaisen jännitteen DC-kiinteän aineen pistokeilaimille. Esimerkiksi laiterakenteen ja järjestelmän tason integroitun simulaatiomallin luominen voisi simuloida kiinteän aineen pistokeilaimen suorituskykyä monipuolisemmin eri toimintatilanteissa, tarjoten tarkempaa teoreettista tukea suunnittelun optimointiin.