Technologies Clés des Disjoncteurs à État Solide en Courant Continu Basse Tension

1 Défis techniques

1.1 Stabilité du parallélisme des dispositifs
Dans les applications pratiques, la capacité de transport de courant d'un seul dispositif électronique de puissance est relativement limitée. Pour répondre aux exigences de forts courants, plusieurs dispositifs sont souvent connectés en parallèle. Cependant, les variations de paramètres entre les dispositifs, telles que de légères différences de résistance en marche et de tension seuil, peuvent entraîner une répartition inégale du courant lors de l'opération en parallèle. Pendant les transitoires de commutation, l'inductance et la capacitance parasites conduisent à des taux de variation de courant incohérents parmi les dispositifs parallèles, aggravant ainsi le déséquilibre de courant. Si ce déséquilibre n'est pas traité rapidement, il peut causer un surchauffage et une défaillance de certains dispositifs en raison d'un courant excessif, réduisant ainsi la durée de vie du disjoncteur à semi-conducteurs.

1.2 Retard de détection des défauts
Dans les systèmes DC, les caractéristiques du courant de défaut diffèrent considérablement de celles des systèmes AC, manquant de points de passage par zéro qui facilitent la détection et l'interruption des défauts. Cela nécessite que les disjoncteurs à semi-conducteurs utilisent des algorithmes de détection de défaut au niveau microseconde pour identifier précisément les défauts et y répondre rapidement. Les méthodes traditionnelles de détection de défaut subissent des retards significatifs lorsqu'elles traitent des courants de défaut DC changeant rapidement, ne pouvant pas répondre aux exigences de protection rapide.

1.3 Contradiction entre dissipation thermique et volume
Pour répondre à la demande des systèmes de puissance modernes en termes de haute densité de puissance, les conceptions de disjoncteurs à semi-conducteurs doivent gérer une puissance plus élevée dans un espace limité. Cependant, une densité de puissance plus élevée entraîne une augmentation marquée de la chaleur générée par les dispositifs électroniques de puissance. Une dissipation thermique insuffisante cause des températures excessives, dégradant les performances des dispositifs et potentiellement déclenchant une fuite thermique et une défaillance de l'équipement. Les techniques de refroidissement conventionnelles se comportent mal avec les disjoncteurs à semi-conducteurs à haute densité de puissance. Bien que le refroidissement liquide puisse améliorer l'efficacité de la dissipation thermique, il augmente la taille et le coût de l'équipement. Ainsi, comment équilibrer un refroidissement efficace avec un contrôle de volume raisonnable - atteignant une optimisation synergique - reste un défi clé dans la conception des disjoncteurs à semi-conducteurs.

2 Recherche sur les technologies clés

2.1 Technologie d'application des dispositifs à large bande interdite
(1) Sélection et encapsulation de MOSFET SiC
Parmi les divers dispositifs à large bande interdite, les MOSFET SiC à faible perte de conduction offrent des avantages significatifs. Pour améliorer leurs performances dans les applications multi-dispositifs en parallèle, un agencement symétrique Direct Bonded Copper (DBC) est adopté. Cette disposition réduit efficacement l'inductance parasite, ce qui est crucial pour améliorer les caractéristiques de commutation des dispositifs. Lors de la commutation, en particulier lors de l'extinction, l'interaction entre l'inductance parasite et la capacité du dispositif provoque des oscillations de tension de grille. Les tests expérimentaux montrent qu'avec un agencement DBC symétrique, les oscillations de tension de grille lors de l'extinction peuvent être contrôlées à moins de 5 %. Cela améliore non seulement la stabilité dynamique lors de l'opération en parallèle, mais réduit également le risque de dommage des dispositifs causé par les oscillations de tension.

(2) Contrôle de partage dynamique du courant
Pour relever le défi du déséquilibre de courant entre les dispositifs en parallèle, une stratégie de contrôle combinant un bus de partage de courant avec une régulation PI adaptative est introduite. Le bus de partage de courant, grâce à un design structurel unique, fournit un chemin de distribution de courant équilibré pour chaque branche parallèle au niveau physique. Sur cette base, un algorithme de régulation PI adaptatif ajuste dynamiquement les signaux de commande de chaque dispositif en fonction de la surveillance en temps réel des courants de branche, permettant un contrôle de partage de courant plus précis.

2.2 Technologie de détection et d'interruption rapides des défauts
(1) Détection des défauts basée sur la tension de grille
L'analyse des caractéristiques de court-circuit des MOSFET SiC révèle qu'en cas de défaut de court-circuit, la tension drain-source (VDS) augmente rapidement à 900 V tandis que la tension de grille diminue de manière significative avec une pente supérieure à 10 V/ns. En tirant parti de cette caractéristique, un comparateur à double seuil est conçu pour une détection rapide des défauts, fixant deux seuils de courant : Ith1 = 500 A et Ith2 = 1,2 kA. Lorsque le courant détecté dépasse Ith1, une alerte préliminaire est déclenchée ; dépasser Ith2 indique un défaut de court-circuit confirmé. Le circuit de détection et l'algorithme de traitement de signal conçus atteignent un retard de détection de seulement 0,8 μs. Cette approche contourne la conversion et le traitement complexes des signaux des méthodes traditionnelles en utilisant les caractéristiques électriques intrinsèques des MOSFET SiC, améliorant considérablement la précision de la détection des défauts.

(2) Stratégie d'interruption optimisée multi-objectifs
Pour réaliser une interruption de défaut haute performance dans les disjoncteurs à semi-conducteurs, le temps d'interruption (Δt), l'absorption d'énergie (EMOV) et le courant de pointe (Ipeak) sont définis comme fonctions objectifs, optimisés en utilisant un algorithme de particules optimisé multi-objectifs (MOPSO). Un temps d'interruption plus court offre une meilleure protection pour l'équipement du système ; l'absorption d'énergie affecte le choix et la durée de vie des composants de protection tels que les MOV ; un courant de pointe excessif cause un stress électrique important, impactant le fonctionnement normal de l'équipement.

Après plusieurs itérations d'optimisation MOPSO, les paramètres optimaux sont déterminés : inductance limitatrice de courant LB = 15 μH et coefficient de limitation de tension du MOV γ = 1,8. Avec ces paramètres optimisés, le temps d'interruption est réduit à 73,5 μs, et le courant maximal est limité à 526 A. Pour démontrer visuellement l'effet de l'optimisation, la méthode de décision TOPSIS compare les résultats avant et après l'optimisation. La comparaison montre des améliorations significatives dans les indicateurs clés tels que le temps d'interruption, l'absorption d'énergie et le courant de pointe, améliorant considérablement les performances globales et répondant mieux aux exigences pratiques d'ingénierie pour une interruption rapide et fiable des disjoncteurs à semi-conducteurs.

2.3 Conception de structure mécanique à haute fiabilité
(1) Interrupteur isolant à aimant permanent
Pour améliorer la fiabilité et la stabilité des disjoncteurs à semi-conducteurs, un interrupteur isolant à aimant permanent utilisant un mécanisme bistable à aimant permanent est conçu. Dans cette structure, la force de maintien pour la fermeture et l'ouverture est principalement fournie par des aimants permanents, la bobine étant alimentée uniquement pendant un bref instant lors des opérations de commutation. Cela réduit la consommation d'énergie d'environ 90 % par rapport aux interrupteurs isolants électromagnétiques traditionnels. L'analyse dynamique Adams montre que la durée de vie mécanique de cet interrupteur isolant à aimant permanent dépasse 1 million d'opérations, avec une vitesse de séparation des contacts de 3 m/s. La vitesse élevée de séparation des contacts assure une déconnexion rapide du circuit en cas de défaut, réduisant la probabilité de génération d'arc et améliorant la capacité d'interruption de l'interrupteur. La longue durée de vie mécanique garantit des performances stables sur une utilisation prolongée, réduisant la fréquence de maintenance et de remplacement, fournissant ainsi un soutien solide pour le fonctionnement efficace du disjoncteur à semi-conducteurs.

(2) Solution de gestion thermique
Pour répondre aux défis de dissipation thermique dans les conceptions à haute densité de puissance, une solution de refroidissement hybride combinant le refroidissement évaporatif et le refroidissement forcé par air est proposée. Le refroidissement évaporatif utilise le principe de l'évaporation d'un liquide absorbant la chaleur, permettant un transfert de chaleur efficace dans des espaces compacts. Le refroidissement forcé par air renforce la dissipation de chaleur par convection forcée pilotée par un ventilateur. Cette méthode de refroidissement hybride stabilise la température du point chaud du module en dessous de 75 °C, avec un taux de montée en température inférieur à 5 °C/min, répondant aux exigences standards.III. Vérification expérimentale

3 Vérification expérimentale

3.1 Paramètres du prototype
Pour vérifier l'efficacité des technologies clés et des schémas de conception, un prototype de disjoncteur à semi-conducteurs DC basse tension a été développé, avec les principaux paramètres suivants :

3.2 Résultats des essais de type

Des essais de type complets ont été réalisés sur le prototype pour évaluer si ses performances répondent aux exigences des applications pratiques :

(1) Essai d'interruption de court-circuit
Les défauts de court-circuit sont parmi les types de défauts les plus graves dans les systèmes de puissance, et le courant instantané énorme qu'ils génèrent représente une menace significative pour le fonctionnement de l'équipement. Pour simuler cette condition extrême, un environnement de test de courant de court-circuit de 23 kA a été établi - posant un défi rigoureux pour le disjoncteur à semi-conducteurs. Au début du test, le prototype s'est activé rapidement, et sa technologie intégrée de détection et d'interruption rapide de défaut a commencé à fonctionner. Cette technologie, par le biais d'une surveillance de courant de haute précision et d'un mécanisme de réponse rapide, a détecté le courant anormal dans un temps extrêmement court et a immédiatement déclenché le processus d'interruption.

Pendant l'interruption, le personnel de test a observé de près les performances du disjoncteur, et aucune re-ignition d'arc n'a été observée tout au long du processus. Ce résultat démontre non seulement l'efficacité élevée de la technologie de détection et d'interruption rapide de défaut, mais met également en évidence les excellentes performances d'interruption du disjoncteur à semi-conducteurs. Dans les disjoncteurs traditionnels, la re-ignition d'arc est un problème difficile à éviter, souvent à l'origine de défauts secondaires ou même de dommages graves à l'équipement. En revanche, le disjoncteur à semi-conducteurs évite ce problème grâce à des techniques d'interruption avancées, fournissant ainsi un soutien fort pour le fonctionnement stable des systèmes de puissance.

(2) Essai de montée en température
La performance thermique est un autre facteur clé dans l'évaluation des disjoncteurs à semi-conducteurs. Pour évaluer efficacement la capacité de dissipation thermique du dispositif pendant un fonctionnement prolongé, un essai de montée en température a été réalisé. Le prototype a été soumis à un fonctionnement continu pendant 24 heures, durant lequel une quantité importante de chaleur a été générée [9]. Après le test, des capteurs de température ont été utilisés pour mesurer la température du prototype. Les résultats ont montré une montée en température de ΔT = 32 K. Ces données confirment l'efficacité de la solution de refroidissement hybride combinant le refroidissement évaporatif et le refroidissement forcé par air. En intégrant le principe naturel de dissipation thermique du refroidissement évaporatif avec la convection forcée du refroidissement forcé par air, le système dissipe efficacement la chaleur générée pendant le fonctionnement, assurant que le dispositif reste dans une plage de température acceptable. Une bonne gestion thermique non seulement garantit le fonctionnement stable du disjoncteur à semi-conducteurs, mais prolonge également sa durée de vie.

(3) Essai de durée de vie
La durée de vie est un indicateur critique pour déterminer si un disjoncteur à semi-conducteurs peut être largement appliqué dans les systèmes de puissance réels. Par conséquent, pour vérifier ses performances de durée de vie, le prototype a subi un essai d'endurance d'un million de cycles d'opération. Tout au long du test, le personnel a surveillé de près les changements de la résistance de contact du prototype. Après le test, la résistance de contact a été mesurée et a été trouvée avoir changé de moins de 5 %. Ce résultat valide l'efficacité de la conception à longue durée de vie de l'interrupteur isolant à aimant permanent. Même après un fonctionnement prolongé et fréquent, les contacts de l'interrupteur maintiennent une excellente conductivité, assurant une fonctionnalité on/off fiable du disjoncteur à semi-conducteurs.

4 Conclusion
En résumé, cet article présente une solution technique pour les disjoncteurs à semi-conducteurs DC basse tension basée sur une recherche approfondie des technologies clés, y compris l'optimisation des dispositifs à large bande interdite, les algorithmes de contrôle intelligents et la conception structurale à haute fiabilité. La validation expérimentale montre que le prototype développé atteint des performances de pointe dans des indicateurs clés tels que la vitesse d'interruption, la précision de détection de défaut et la durée de vie opérationnelle.

Il réalise avec succès une interruption rapide au niveau microseconde et une durée de vie d'un million de cycles, offrant une solution pratique et viable pour la protection dans les systèmes de distribution d'énergie nouvelle. À l'avenir, de nombreuses directions prometteuses de recherche existent pour les disjoncteurs à semi-conducteurs DC basse tension. Par exemple, l'établissement d'un modèle de simulation intégré au niveau dispositif-emballage-système pourrait simuler de manière plus complète les performances des disjoncteurs à semi-conducteurs sous diverses conditions de fonctionnement, fournissant ainsi un soutien théorique plus précis pour l'optimisation de la conception.