Tecnoloxías Clave dos Interruptores de Circuito de Estado Sólido en Corrente Directa de Baixa Tensión

1 Desafíos Técnicos

1.1 Estabilidade do Paralelismo de Dispositivos
Nas aplicacións prácticas, a capacidade de corrente dun único dispositivo electrónico de potencia é relativamente limitada. Para satisfacer as necesidades de alta corrente, múltiples dispositivos adoitan conectarse en paralelo. No entanto, as variacións de parámetros entre dispositivos—como pequenas diferenzas na resistencia de conducción e no voltaxe de limiar—poden causar unha distribución desigual da corrente durante a operación en paralelo. Durante as transicións de conmutación, a inductancia parasita e a capacitancia provocan cambios de corrente inconsistentes entre os dispositivos en paralelo, exacerbando o desequilibrio de corrente. Se non se aborda de forma rápida, este desequilibrio pode facer que certos dispositivos sobrecalcenten e falcen debido á corrente excesiva, reducindo así a vida útil do cortocircuito de estado sólido.

1.2 Demora na Detección de Fallos
Nos sistemas DC, as características de corrente de fallo difiren significativamente dos sistemas AC, carecendo de puntos de cruce a cero que axuden na detección e interrupción de fallos. Isto require que os cortocircuitos de estado sólido empreguen algoritmos de detección de fallos a nivel de microsegundos para identificar con precisión os fallos e responder rapidamente. Os métodos tradicionais de detección de fallos sufren demoras significativas cando se tratan con correntes de fallo DC que cambian rapidamente, sendo incapaces de satisfacer as demandas de protección rápida.

1.3 Contradicción Entre a Disipación de Calor e o Volume
Para satisfacer a demanda dos sistemas de potencia modernos de alta densidade de potencia, os diseños de cortocircuitos de estado sólido deben lograr un manejo de potencia maior dentro dun espazo limitado. No entanto, unha maior densidade de potencia leva a un aumento agudo do calor xerado polos dispositivos electrónicos de potencia. Unha disipación de calor inadequada causa temperaturas excesivas, degradando o rendemento dos dispositivos e podendo provocar un descontrol térmico e o falso do equipo. As técnicas de refrixeración convencionais teñen un rendemento pobre con cortocircuitos de estado sólido de alta densidade de potencia. Aínda que a refrixeración líquida pode mellorar a eficiencia de disipación de calor, aumenta o tamaño e o custo do equipo. Así, como equilibrar unha refrixeración eficiente con un control de volume razonable—logrando unha optimización sinérgica—permanece como un desafío clave no deseño de cortocircuitos de estado sólido.

2 Investigación de Tecnoloxías Clave

2.1 Tecnoloxía de Aplicación de Dispositivos de Banda Larga
(1) Selección e Empacotamento de SiC MOSFET
Entre varios dispositivos de banda ancha, os SiC MOSFET de baixa perda de conducción ofrecen ventaxes significativas. Para mellorar o seu rendemento nas aplicacións de múltiples dispositivos en paralelo, adoptase un esquema simétrico de Direct Bonded Copper (DBC). Este esquema reduce eficazmente a inductancia parasita, que é crucial para mellorar as características de conmutación dos dispositivos. Durante a conmutación, especialmente ao apagar, a interacción entre a inductancia parasita e a capacitancia do dispositivo provoca oscilacións de voltaxe na porta. As probas experimentais mostran que, con un esquema simétrico de DBC, a oscilación de voltaxe na porta durante o apagado pode controlarse a menos do 5%. Esto non só mellora a estabilidade dinámica durante a operación en paralelo, senón que tamén reduce o risco de danos nos dispositivos causados polas oscilacións de voltaxe.

(2) Control de Compartir Corrente Dinámica
Para abordar o desafío do desequilibrio de corrente en dispositivos en paralelo, introduceuse unha estratexia de control que combina un bus de compartición de corrente con unha regulación PI adaptativa. O bus de compartición de corrente, mediante un deseño estructural único, proporciona unha ruta de distribución de corrente equilibrada para cada ramo en paralelo a nivel físico. Sobre esta base, un algoritmo de regulación PI adaptativa axusta dinamicamente as señales de conducción de cada dispositivo en función da monitorización en tempo real das correntes de rama, logrando un control de compartición de corrente máis preciso.

2.2 Tecnoloxía de Detección e Interrupción Rápida de Fallos
(1) Detección de Fallos Baseada no Voltaxe da Porta
O análise das características de curto circuito de SiC MOSFET revela que durante un fallo de curto circuito, o voltaxe drenador-fonte (VDS) aumenta rapidamente a 900V mentres que o voltaxe da porta diminúe significativamente con unha pendente superior a 10 V/ns. Utilizando esta característica, deseñouse un comparador de dobre umbral para detección rápida de fallos, establecendo dous umbrais de corrente: Ith1 = 500 A e Ith2 = 1.2 kA. Cando a corrente detectada supera Ith1, activase un aviso preliminar; superar Ith2 indica un fallo de curto circuito confirmado. O circuito de detección deseñado e o algoritmo de procesamento de sinal logran unha demora de detección de só 0.8 μs. Este enfoque evita a conversión e procesamento de sinais complexos dos métodos tradicionais, utilizando as características eléctricas inherentes do SiC MOSFET, mellorando significativamente a precisión da detección de fallos.

(2) Estratexia de Interrupción Optimizada Multi-Obxectivo
Para lograr unha interrupción de fallos de alto rendemento en cortocircuitos de estado sólido, o tempo de interrupción (Δt), a absorción de enerxía (EMOV) e a corrente de punta (Ipeak) establecéronse como funcións obxectivo, optimizándose mediante un algoritmo de optimización multi-objetal por enxambre de partículas (MOPSO). Un tempo de interrupción máis curto ofrece unha mellor protección para o equipo do sistema; a absorción de enerxía afecta a selección e vida útil de componentes protectores como MOVs; unha corrente de punta excesiva causa un estrés eléctrico significativo, afectando a operación normal do equipo.

A través de múltiples iteracións de optimización MOPSO, determináronse os parámetros óptimos: indutor limitador de corrente LB = 15 μH e coeficiente limitador de voltaxe de MOV γ = 1.8. Utilizando estes parámetros optimizados, o tempo de interrupción reduciuse a 73.5 μs, e a corrente máxima limitouse a 526 A. Para demostrar visualmente o efecto da optimización, o método de toma de decisión TOPSIS compara os resultados antes e despois da optimización. A comparación mostra mejoras significativas en indicadores clave como o tempo de interrupción, a absorción de enerxía e a corrente de punta, mellorando enormemente o rendemento global e satisfacendo mellor os requisitos prácticos de interrupción rápida e fiable por parte dos cortocircuitos de estado sólido.

2.3 Diseño de Estructura Mecánica de Alta Fiabilidade
(1) Interruptor Isolador de Imán Permanente
Para mellorar a fiabilidade e estabilidade dos cortocircuitos de estado sólido, deseñouse un interruptor isolador de imán permanente que utiliza un mecanismo de imán permanente bimodal. Nesta estrutura, a forza de manutenção para cerrar e abrir proporcionase principalmente por imáns permanentes, co bobinado energizado só momentaneamente durante as operacións de conmutación. Isto reduce o consumo de enerxía aproximadamente un 90% en comparación con interruptores isoladores electromagnéticos tradicionais. A análise dinámica de Adams mostra que a vida mecánica deste interruptor isolador de imán permanente supera as 1 millón de operacións, con unha velocidade de separación de contacto de 3 m/s. A alta velocidade de separación de contacto asegura unha desconexión rápida do circuito ante a ocorrencia de fallos, reducindo a probabilidade de xeración de arco e mellorando a capacidade de interrupción do interruptor. A longa vida mecánica asegura un rendemento estable a lo largo do uso prolongado, reducindo a frecuencia de mantemento e substitución, proporcionando así un forte soporte para a operación eficiente do cortocircuito de estado sólido.

(2) Solución de Xestión Térmica
Para abordar os desafíos de disipación de calor en diseños de alta densidade de potencia, propóuse unha solución de refrixeración híbrida que combina a refrixeración evaporativa coa refrixeración forzada por aire. A refrixeración evaporativa utiliza o principio da evaporación de líquidos para absorber calor, permitindo unha transferencia de calor eficiente en espazos compactos. A refrixeración forzada por aire complementa a disipación de calor a través da convección forzada impulsada por ventiladores. Este método de refrixeración híbrida estabiliza a temperatura do punto quente do módulo por debaixo dos 75°C, con unha taxa de subida de temperatura inferior a 5°C/min, cumprindo os requisitos estándar.III. Verificación Experimental

3 Verificación Experimental

3.1 Parámetros do Prototipo
Para verificar a eficacia das tecnoloxías clave e esquemas de deseño, desenvolveuse un prototipo de cortocircuito de estado sólido de corrente directa de baixa tensión, cunhas características principais as seguintes:

3.2 Resultados de Probas de Tipo

Realizáronse probas de tipo comprehensivas no prototipo para avaliar se o seu rendemento cumpre os requisitos para aplicacións prácticas:

(1) Proba de Interrupción de Curto Circuito
Os fallos de curto circuito son entre os tipos de fallo máis graves nos sistemas de potencia, e a enorme corrente instantánea que xeran supón unha ameaza significativa para a operación do equipo. Para simular esta condición extrema, estabeleceu-se un ambiente de proba de corrente de curto circuito de 23 kA—supoñendo un reto rigoroso para o cortocircuito de estado sólido. Ao inicio da proba, o prototipo activouse rapidamente, e a súa tecnoloxía incorporada de detección e interrupción rápida de fallos comezou a funcionar. Esta tecnoloxía, a través da monitorización de corrente de alta precisión e un mecanismo de resposta rápida, detectou a corrente anómala en un período extremadamente curto e activou inmediatamente o proceso de interrupción.

Durante a interrupción, o persoal de proba observou de cerca o rendemento do interruptor, e non se produciu ningunha reignición de arco durante todo o proceso. Este resultado non só demostra a alta eficiencia da tecnoloxía de detección e interrupción rápida de fallos, senón que tamén resalta o rendemento de interrupción superior do cortocircuito de estado sólido. Nos interruptores tradicionais, a reignición de arco é un problema difícil de evitar que xeralmente leva a fallos secundarios ou incluso a danos severos no equipo. En contraste, o cortocircuito de estado sólido evita con éxito este problema a través de técnicas avanzadas de interrupción, proporcionando así un forte soporte para a operación estable dos sistemas de potencia.

(2) Proba de Subida de Temperatura
O rendemento térmico é outro factor clave na avaliación dos cortocircuitos de estado sólido. Para avaliar eficazmente a capacidade de disipación de calor do dispositivo durante a operación prolongada, realizouse unha proba de subida de temperatura. O prototipo requiriuse que operase continuamente durante 24 horas, durante as cales se xerou unha cantidade significativa de calor [9]. Despois da proba, utilizáronse sensores de temperatura para medir a temperatura do prototipo. Os resultados mostraron unha subida de temperatura de ΔT = 32 K. Estes datos confirman a eficacia da solución de refrixeración híbrida que combina a refrixeración evaporativa coa refrixeración forzada por aire. Integrando o principio natural de disipación de calor da refrixeración evaporativa coa convección forzada da refrixeración forzada por aire, o sistema disipa eficazmente o calor xerado durante a operación, asegurando que o dispositivo permanezca dentro dun rango de temperatura aceptable. Unha boa xestión térmica non só asegura a operación estable do cortocircuito de estado sólido, senón que tamén alarga a súa vida útil.

(3) Proba de Vida Útil
A vida útil é un indicador crítico para determinar se un cortocircuito de estado sólido pode aplicarse amplamente en sistemas de potencia reais. Polo tanto, para verificar o seu rendemento de vida útil, o prototipo realizou unha proba de durabilidade de un millón de ciclos de operación. Durante toda a proba, o persoal monitorizou de cerca as cambios na resistencia de contacto do prototipo. Despois da proba, a resistencia de contacto midiuse e comprobouse que cambiara menos do 5%. Este resultado valida a eficacia do deseño de longa vida do interruptor isolador de imán permanente. Incluso despois de unha operación prolongada e frecuente, os contactos do interruptor mantense unha excelente conductividad, asegurando a funcionalidade fiable de encendido e apagado do cortocircuito de estado sólido.

4 Conclusión
En resumo, neste artigo presenta unha solución técnica para cortocircuitos de estado sólido de corrente directa de baixa tensión basada en unha investigación en profundidade das tecnoloxías clave, incluíndo a optimización de dispositivos de banda ancha, algoritmos de control inteligente e deseño de estructura de alta fiabilidade. A validación experimental demostra que o prototipo desenvolvido alcanza un rendemento líder en indicadores clave como a velocidade de interrupción, a precisión de detección de fallos e a vida útil de operación.

Logra con éxito unha interrupción rápida a nivel de microsegundos e unha vida útil de un millón de ciclos de operación, proporcionando unha solución práctica e factible para a protección en sistemas de distribución de potencia de enerxía nova. Mirando cara ao futuro, hai moitas direccións prometedoras de investigación para os cortocircuitos de estado sólido de corrente directa de baixa tensión. Por exemplo, establecer un modelo de simulación integrado a nivel de dispositivo-empacotamento-sistema podería simular de forma máis comprehensiva o rendemento dos cortocircuitos de estado sólido en varias condicións de operación, proporcionando así un soporte teórico máis preciso para a optimización do deseño.