Mga Pangunahing Teknolohiya ng Mababang Volt na DC Solid-State Circuit Breakers

1 Mga Hamon sa Teknikal

1.1 Estabilidad ng Pagkakasunod-sunod ng mga Device
Sa praktikal na aplikasyon, ang kapasidad ng isang solong power electronic device sa pagdala ng kuryente ay may limitasyon. Upang matugunan ang pangangailangan para sa mataas na kuryente, madalas na ikokonekta ang maraming device sa sunod-sunod. Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba ng mga parameter sa pagitan ng mga device—tulad ng maliit na pagkakaiba sa on-resistance at threshold voltage—maaaring magresulta sa hindi pantay na pamamahagi ng kuryente sa panahon ng operasyon sa sunod-sunod. Sa panahon ng switching transients, ang parasitic inductance at capacitance ay nagpapataas pa ng hindi pantay na rate ng pagbabago ng kuryente sa mga parallel device, na nagpapalubha ng hindi pantay na pamamahagi ng kuryente. Kung hindi ito maagap na nasolusyunan, ang hindi pantay na pamamahagi ng kuryente ay maaaring magresulta sa sobrang init at pagkasira ng ilang device dahil sa labis na kuryente, na siyang nagsisimula ng pagbawas ng buhay ng solid-state circuit breaker.

1.2 Pagkaantala sa Paggawa ng Fault Detection
Sa DC systems, ang mga katangian ng fault current ay malaking iba sa AC systems, na walang zero-crossing points na tumutulong sa pag-detect at pag-interrupt ng fault. Ito ay nangangailangan ng solid-state circuit breakers na gumamit ng microsecond-level fault detection algorithms upang mapagtanto nang tama ang mga fault at mabilis na tumugon. Ang mga tradisyunal na paraan ng fault detection ay may malaking antala sa pagdeal sa mabilis na nagbabagong DC fault currents, kaya hindi ito makakatugon sa pangangailangan ng mabilis na proteksyon.

1.3 Kontradiksiyon sa Pagitan ng Heat Dissipation at Volume
Upang matugunan ang pangangailangan ng modernong power systems para sa mataas na power density, ang disenyo ng solid-state circuit breakers ay kailangang makamit ang mas mataas na power handling sa limitadong espasyo. Gayunpaman, ang mas mataas na power density ay nagreresulta sa malaking pagtaas ng init na ginagawa ng mga power electronic device. Ang hindi sapat na heat dissipation ay nagiging sanhi ng labis na temperatura, na nagpapababa ng performance ng device at maaaring mag-trigger ng thermal runaway at pagkasira ng equipment. Ang mga tradisyunal na teknik sa pagsipsip ng init ay hindi epektibo sa high-power-density solid-state breakers. Habang ang liquid cooling ay maaaring mapabuti ang epektibidad ng heat dissipation, ito ay nagpapataas ng laki at gastos ng equipment. Kaya, paano balansehin ang epektibong pagsipsip ng init kasabay ng maaaring kontrolin ang volume—upang makamit ang synergistic optimization—ay nananatiling pangunahing hamon sa disenyo ng solid-state circuit breaker.

2 Pag-aaral ng Pangunahing Teknolohiya

2.1 Aplikasyon ng Wide-Bandgap Device Technology
(1) Piliin at Packaging ng SiC MOSFET
Sa iba't ibang wide-bandgap devices, ang low-conduction-loss SiC MOSFETs ay may malaking abilidad. Upang mapabuti ang kanilang performance sa multi-device parallel applications, isinasagawa ang symmetrical Direct Bonded Copper (DBC) layout. Ang layout na ito ay epektibong binabawasan ang parasitic inductance, na mahalaga para sa pagpapabuti ng switching characteristics ng device. Sa panahon ng switching, lalo na sa turn-off, ang interaksiyon sa pagitan ng parasitic inductance at device capacitance ay nagdudulot ng gate voltage oscillation. Ang mga eksperimental na pagsusuri ay nagpapakita na sa simetrikal na DBC layout, ang gate voltage oscillation sa panahon ng turn-off ay maaaring kontrolin sa mas mababa kaysa 5%. Ito ay hindi lamang nagpapabuti ng dynamic stability sa operasyon sa parallel kundi pati na rin nagbabawas ng panganib ng pagkasira ng device dahil sa voltage oscillation.

(2) Dynamic Current Sharing Control
Upang tugunan ang hamon ng hindi pantay na pamamahagi ng kuryente sa parallel devices, isinasagawa ang control strategy na naglalabas ng current-sharing bus at adaptive PI regulation. Ang current-sharing bus, sa pamamagitan ng unique structural design, ay nagbibigay ng balanced current distribution path para sa bawat parallel branch sa physical level. Sa pundamentong ito, ang adaptive PI regulation algorithm ay dinynamically nag-aadjust ng drive signals ng bawat device batay sa real-time monitoring ng branch currents, na nagpapabuti ng mas presisong current sharing control.

2.2 Mabilis na Pag-detect at Pag-interrupt ng Fault
(1) Pag-detect ng Fault Batay sa Gate Voltage
Ang pag-analisa ng short-circuit characteristics ng SiC MOSFET ay nagpapakita na sa panahon ng short-circuit fault, ang drain-source voltage (VDS) ay mabilis na umuusbong hanggang 900V habang ang gate voltage ay bumababa nang significant na slope na lumampas sa 10 V/ns. Gamit ang katangiang ito, isina-disenyo ang dual-threshold comparator para sa mabilis na pag-detect ng fault, na may dalawang current thresholds: Ith1 = 500 A at Ith2 = 1.2 kA. Kapag ang natuklasang kuryente ay lumampas sa Ith1, isinasagawa ang preliminary warning; lumampas sa Ith2 naman ay nagpapatunay ng confirmed short-circuit fault. Ang disenyadong detection circuit at signal processing algorithm ay nakakamit ang detection delay na lang 0.8 μs. Ang paraan na ito ay lumilikha ng mas epektibong pag-detect ng fault sa pamamagitan ng paggamit ng inherent electrical characteristics ng SiC MOSFET, na nagpapabuti ng accuracy ng fault detection.

(2) Multi-Objective Optimized Interruption Strategy
Upang makamit ang high-performance fault interruption sa solid-state circuit breakers, ang interruption time (Δt), energy absorption (EMOV), at inrush current (Ipeak) ay itinatakda bilang objective functions, na i-optimize gamit ang multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm. Ang mas maikling interruption time ay nagbibigay ng mas mabuting proteksyon para sa system equipment; ang energy absorption ay nakakaapekto sa pagpili at lifespan ng protective components tulad ng MOVs; ang labis na inrush current ay nagdudulot ng malaking electrical stress, na nakakaapekto sa normal na operasyon ng equipment.

Sa pamamagitan ng maraming iterasyon ng MOPSO optimization, natuklasan ang optimal parameters: current-limiting inductor LB = 15 μH at MOV voltage-limiting coefficient γ = 1.8. Gamit ang mga optimized parameters na ito, ang interruption time ay binawasan hanggang 73.5 μs, at ang maximum current ay binawasan hanggang 526 A. Para mas visual na ipakita ang epekto ng optimization, ang TOPSIS decision-making method ay ginamit upang ikumpara ang resulta bago at pagkatapos ng optimization. Ang pagkumpara ay nagpapakita ng malaking pag-unlad sa key indicators tulad ng interruption time, energy absorption, at inrush current, na nagpapabuti ng overall performance at mas mabuti pa ang pagtugon sa practical engineering requirements para sa mabilis at reliable interruption ng solid-state circuit breakers.

2.3 Disenyo ng High-Reliability Mechanical Structure
(1) Permanent Magnet Isolator Switch
Upang mapabuti ang reliability at stability ng solid-state circuit breakers, isina-disenyo ang permanent magnet isolator switch na gumagamit ng bistable permanent magnet mechanism. Sa disenyo na ito, ang holding force para sa closing at opening ay pangunahing ibinibigay ng permanent magnets, at ang coil ay energized lamang sa sandaling panahon sa panahon ng switching operations. Ito ay nagbabawas ng power consumption ng humigit-kumulang 90% kumpara sa traditional electromagnetic isolator switches. Ang Adams dynamic simulation analysis ay nagpapakita na ang mechanical life ng permanent magnet isolator switch na ito ay lumampas sa 1 million operations, na may contact separation speed na 3 m/s. Ang mataas na contact separation speed ay nagse-seture ng mabilis na pag-disconnect ng circuit sa oras ng pagkakaroon ng fault, na nagbabawas ng posibilidad ng arc generation at nagpapabuti ng interruption capability ng switch. Ang mahabang mechanical life ay nagpapabuti ng stable performance sa mahabang paggamit, na nagbabawas ng frequency ng maintenance at replacement, kaya nagbibigay ito ng malakas na suporta para sa efficient operation ng solid-state circuit breaker.

(2) Thermal Management Solution
Upang tugunan ang hamon sa heat dissipation sa high-power-density designs, isinasagawa ang hybrid cooling solution na naglalabas ng evaporative cooling at forced air cooling. Ang evaporative cooling ay gumagamit ng principle ng liquid evaporation na nag-absorb ng init, na nagbibigay ng epektibong heat transfer sa compact spaces. Ang forced air cooling naman ay nagpapabuti ng heat dissipation sa pamamagitan ng fan-driven forced convection. Ang hybrid cooling method na ito ay nagstabilize ng module's hotspot temperature sa ibaba ng 75°C, na may temperature rise rate na mas mababa kaysa 5°C/min, na sumasang-ayon sa standard requirements.III. Experimental Verification

3 Experimental Verification

3.1 Prototype Parameters
Upang patunayan ang epektividad ng mga key technologies at design schemes, isinagawa ang prototype ng low-voltage DC solid-state circuit breaker, na may mga pangunahing parameters na sumusunod:

3.2 Type Test Results

Isinagawa ang comprehensive type tests sa prototype upang i-evaluate kung ang performance nito ay sumasang-ayon sa pangangailangan para sa practical applications:

(1) Short-Circuit Interruption Test
Ang short-circuit faults ay isa sa pinakamahirap na uri ng fault sa power systems, at ang malaking instantaneous current na ito ay nagbibigay ng malaking banta sa operasyon ng equipment. Upang simularin ang ekstremong kondisyon na ito, itinayo ang 23 kA short-circuit current test environment—na nagbibigay ng mahigpit na hamon para sa solid-state circuit breaker. Sa simula ng test, ang prototype ay mabilis na aktibado, at ang built-in fast fault detection at interruption technology nito ay nagsimula ng pag-function. Ang teknolohiyang ito, sa pamamagitan ng high-precision current monitoring at rapid response mechanism, ay natuklasan ang abnormal current sa napakamabilis na oras at agad na trigger ang interruption process.

Sa panahon ng interruption, ang mga test personnel ay mabuti na namonitor ang performance ng breaker, at walang arc re-ignition na nangyari sa buong proseso. Ang resulta na ito ay hindi lamang nagpapakita ng mataas na epektividad ng fast fault detection at interruption technology kundi pati na rin ng superior interruption performance ng solid-state circuit breaker. Sa traditional circuit breakers, ang arc re-ignition ay isang mahirap iwasang isyu na kadalasang nagdudulot ng secondary faults o kahit na severe equipment damage. Sa kabaligtaran, ang solid-state circuit breaker ay matagumpay na iwasan ang problema na ito sa pamamagitan ng advanced interruption techniques, kaya nagbibigay ito ng malakas na suporta para sa stable operation ng power systems.

(2) Temperature Rise Test
Ang thermal performance ay isa pang mahalagang factor sa pag-evaluate ng solid-state circuit breakers. Upang epektibong i-assess ang heat dissipation capability ng device sa mahabang operasyon, isinasagawa ang temperature rise test. Ang prototype ay kinailangang mag-operate nang patuloy sa loob ng 24 oras, kung saan lumikha ito ng malaking init [9]. Pagkatapos ng test, ang temperature sensors ay ginamit upang sukatin ang temperatura ng prototype. Ang resulta ay nagpakita ng temperature rise na ΔT = 32 K. Ang data na ito ay nagpapatunay ng epektividad ng hybrid cooling solution na naglalabas ng evaporative cooling at forced air cooling. Sa pamamagitan ng natural heat dissipation principle ng evaporative cooling at ang forced convection ng forced air cooling, ang sistema ay epektibong nagdissipate ng init na nilikha sa panahon ng operasyon, na nagse-secure ng device sa acceptable temperature range. Ang mahusay na thermal management ay hindi lamang nagpapabuti ng stable operation ng solid-state circuit breaker kundi pati na rin nagpapahaba ng service life nito.

(3) Lifetime Test
Ang service life ay isang critical indicator para sa pagtukoy kung ang solid-state circuit breaker ay maaaring malaganap na gamitin sa tunay na power systems. Kaya, upang patunayan ang lifespan performance, ang prototype ay dumaan sa endurance test ng one million operational cycles. Sa buong test, ang mga personnel ay mabuti na namonitor ang mga pagbabago sa contact resistance ng prototype. Pagkatapos ng test, ang contact resistance ay sinukat at natuklasan na ang pagbabago nito ay mas mababa kaysa 5%. Ang resulta na ito ay nagpapatunay ng epektividad ng long-life design ng permanent magnet isolator switch. Kahit sa mahabang at madalas na operasyon, ang switch contacts ay nagpapanatili ng excellent conductivity, na nagse-secure ng reliable on/off functionality ng solid-state circuit breaker.

4 Kaklusan
SumMARY, ang paper na ito ay nagpapakita ng technical solution para sa low-voltage DC solid-state circuit breakers batay sa malalim na pag-aaral ng key technologies, kabilang ang optimization ng wide-bandgap devices, intelligent control algorithms, at high-reliability structural design. Ang experimental validation ay nagpapakita na ang developed prototype ay nakakamit ng leading performance sa key indicators tulad ng interruption speed, fault detection accuracy, at operational lifespan.

Ito ay matagumpay na naitatag ang microsecond-level fast interruption at one million-cycle operational life, na nagbibigay ng practical at feasible solution para sa proteksyon sa new energy power distribution systems. Sa hinaharap, marami pang promising research directions para sa low-voltage DC solid-state circuit breakers. Halimbawa, ang pag-establish ng device-packaging-system level integrated simulation model ay maaaring mas komprehensibong simularin ang performance ng solid-state circuit breakers sa iba't ibang operating conditions, na nagbibigay ng mas accurate theoretical support para sa design optimization.