निम्न वोल्टेज डीसी सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर की मुख्य प्रौद्योगिकियाँ

1 तकनीकी चुनौतियाँ

1.1 उपकरणों के समान्तर कार्य की स्थिरता
व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, एकल विद्युत उपकरण की धारा-वहन क्षमता अपेक्षाकृत सीमित होती है। उच्च धारा की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, अक्सर अनेक उपकरणों को समान्तर कनेक्शन में जोड़ा जाता है। हालांकि, उपकरणों के बीच पैरामीटरों, जैसे कि ऑन-रेझिस्टेंस और थ्रेशहोल्ड वोल्टेज, में थोड़े से अंतर द्वारा समान्तर कार्य के दौरान धारा वितरण असमान हो सकता है। स्विचिंग ट्रांजिएंट्स के दौरान, परजीवी इंडक्टेंस और कैपेसिटेंस द्वारा समान्तर उपकरणों के बीच धारा बदलाव की दर असंगत हो जाती है, जिससे धारा असंतुलन बढ़ जाता है। यदि इसे तुरंत संबोधित नहीं किया जाता, तो यह असंतुलन निश्चित उपकरणों को अतिरिक्त धारा के कारण गर्मी और विफलता का कारण बन सकता है, जिससे सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर की सेवा आयु कम हो जाती है।

1.2 दोष पता लगाने की देरी
डीसी सिस्टमों में, दोष धारा की विशेषताएं एसी सिस्टमों से महत्वपूर्ण रूप से भिन्न होती हैं, जिनमें दोष पता लगाने और विच्छेद की सहायता करने वाले शून्य-पार बिंदु नहीं होते। इसके लिए सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर को माइक्रोसेकंड-स्तर की दोष पता लगाने की एल्गोरिदम का उपयोग करना आवश्यक होता है, जो दोषों की सटीक पहचान और तेज जवाब देने के लिए। पारंपरिक दोष पता लगाने की विधियाँ तेज बदलती डीसी दोष धाराओं के साथ व्यापक देरी का सामना करती हैं, जिससे तेज सुरक्षा की आवश्यकताओं को पूरा नहीं किया जा सकता।

1.3 ऊष्मा निकासी और आयतन के बीच का विरोधाभास
आधुनिक विद्युत सिस्टमों की उच्च शक्ति घनत्व की मांग को पूरा करने के लिए, सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर डिजाइन को सीमित अंतरिक्ष में अधिक शक्ति नियंत्रण की आवश्यकता होती है। हालांकि, उच्च शक्ति घनत्व विद्युत उपकरणों द्वारा उत्पन्न ऊष्मा को तेजी से बढ़ाता है। अपर्याप्त ऊष्मा निकासी अतिरिक्त तापमान उत्पन्न करती है, जो उपकरण की प्रदर्शन को खराब करती है और संभवतः थर्मल रनअवे और उपकरण विफलता का कारण बनती है। पारंपरिक शीतलन तकनीकें उच्च-शक्ति-घनत्व वाले सॉलिड-स्टेट ब्रेकरों के साथ खराब प्रदर्शन करती हैं। जबकि तरल शीतलन ऊष्मा निकासी की दक्षता में सुधार कर सकता है, यह उपकरण का आकार और लागत बढ़ाता है। इसलिए, कैसे दक्ष शीतलन और विशिष्ट आयतन नियंत्रण के बीच संतुलन स्थापित किया जाए—सहयोगी अनुकूलन प्राप्त करने के लिए—सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर डिजाइन की एक प्रमुख चुनौती बनी हुई है।

2 महत्वपूर्ण तकनीकी शोध

2.1 व्यापक बैंडगैप उपकरण अनुप्रयोग तकनीक
(1) SiC MOSFET का चयन और पैकेजिंग
विभिन्न व्यापक बैंडगैप उपकरणों में, कम चालक नुकसान वाले SiC MOSFET उल्लेखनीय लाभ प्रदान करते हैं। बहु-उपकरण समान्तर अनुप्रयोगों में उनके प्रदर्शन को बढ़ावा देने के लिए, एक सममित Direct Bonded Copper (DBC) लेआउट का उपयोग किया जाता है। यह लेआउट परजीवी इंडक्टेंस को प्रभावी रूप से कम करता है, जो उपकरण के स्विचिंग विशेषताओं को सुधारने के लिए महत्वपूर्ण है। स्विचिंग के दौरान, विशेष रूप से ऑफ करने पर, परजीवी इंडक्टेंस और उपकरण की कैपेसिटेंस के बीच की प्रतिक्रिया गेट वोल्टेज की दोलन का कारण बनती है। प्रयोगशाला परीक्षण दिखाते हैं कि एक सममित DBC लेआउट के साथ, ऑफ करने के दौरान गेट वोल्टेज की दोलन को 5% से कम नियंत्रित किया जा सकता है। यह न केवल समान्तर कार्य के दौरान गतिशील स्थिरता में सुधार करता है, बल्कि वोल्टेज दोलन के कारण उपकरण की क्षति के जोखिम को भी कम करता है।

(2) गतिशील धारा शेयरिंग नियंत्रण
समान्तर उपकरणों में धारा असंतुलन की चुनौती को संबोधित करने के लिए, एक धारा-शेयरिंग बस और एक स्व-नियमित PI नियंत्रण की एक संयोजन रणनीति का परिचय दिया गया है। धारा-शेयरिंग बस, विशिष्ट संरचनात्मक डिजाइन के माध्यम से, प्रत्येक समान्तर शाखा के लिए भौतिक स्तर पर एक संतुलित धारा वितरण पथ प्रदान करता है। इस आधार पर, एक स्व-नियमित PI नियंत्रण एल्गोरिदम वास्तविक समय में शाखा धाराओं की निगरानी के आधार पर प्रत्येक उपकरण के ड्राइव सिग्नल को गतिशील रूप से समायोजित करता है, और इस प्रकार अधिक सटीक धारा शेयरिंग नियंत्रण प्राप्त करता है।

2.2 तेज दोष पता लगाने और विच्छेद तकनीक
(1) गेट वोल्टेज पर आधारित दोष पता लगाना
SiC MOSFET के शॉर्ट-सर्किट विशेषताओं का विश्लेषण दिखाता है कि शॉर्ट-सर्किट दोष के दौरान, ड्रेन-सोर्स वोल्टेज (VDS) तेजी से 900V तक बढ़ जाता है, जबकि गेट वोल्टेज 10 V/ns से अधिक ढलान के साथ निर्देशात्मक रूप से गिरता है। इस विशेषता का लाभ उठाते हुए, एक दो-प्रारंभिक तुलनात्मक डिवाइस तेज दोष पता लगाने के लिए डिजाइन किया गया है, जिसमें दो धारा प्रारंभिक मान Ith1 = 500 A और Ith2 = 1.2 kA सेट किए गए हैं। जब प्राप्त धारा Ith1 से अधिक होती है, तो एक प्रारंभिक चेतावनी ट्रिगर की जाती है; Ith2 से अधिक होने पर यह एक पुष्टिकृत शॉर्ट-सर्किट दोष का संकेत देता है। डिजाइन किए गए दोष पता लगाने के सर्किट और सिग्नल प्रोसेसिंग एल्गोरिदम 0.8 μs की देरी के साथ दोष पता लगाने की क्षमता प्रदान करते हैं। यह दृष्टिकोण पारंपरिक विधियों के जटिल सिग्नल रूपांतरण और प्रोसेसिंग को बाहर रखकर SiC MOSFET की आंतरिक विद्युत विशेषताओं का लाभ उठाता है, जिससे दोष पता लगाने की सटीकता में महत्वपूर्ण सुधार होता है।

(2) बहु-लक्ष्य अनुकूलित विच्छेद रणनीति
सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर में उच्च प्रदर्शन वाले दोष विच्छेद को प्राप्त करने के लिए, विच्छेद समय (Δt), ऊर्जा अवशोषण (EMOV), और इनरश करंट (Ipeak) को लक्ष्य फंक्शन के रूप में सेट किया जाता है, जिसे बहु-लक्ष्य इन्सेक्ट स्वर्म अनुकूलन (MOPSO) एल्गोरिदम का उपयोग करके अनुकूलित किया जाता है। छोटा विच्छेद समय प्रणाली उपकरणों के लिए बेहतर सुरक्षा प्रदान करता है; ऊर्जा अवशोषण संरक्षण घटकों जैसे MOV के चयन और आयु को प्रभावित करता है; अतिरिक्त इनरश करंट निर्माण से उपकरणों की सामान्य कार्यवाही पर बड़ा विद्युत तनाव पड़ता है।

MOPSO अनुकूलन के कई दौर के बाद, अनुकूलित पैरामीटर निर्धारित किए गए हैं: धारा-सीमित इंडक्टर LB = 15 μH और MOV वोल्टेज-सीमित गुणांक γ = 1.8। इन अनुकूलित पैरामीटरों का उपयोग करके, विच्छेद समय 73.5 μs तक कम किया गया है, और अधिकतम धारा 526 A तक सीमित की गई है। विचारण की विधि TOPSIS का उपयोग करके अनुकूलन से पहले और बाद में परिणामों की तुलना की गई है। तुलना में विच्छेद समय, ऊर्जा अवशोषण, और इनरश करंट जैसे महत्वपूर्ण संकेतकों में महत्वपूर्ण सुधार दिखाई दिया है, जो कुल प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है और तेज और विश्वसनीय विच्छेद की लक्ष्य सेटिंग को बेहतर रूप से पूरा करता है, जो सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर द्वारा व्यावहारिक इंजीनियरिंग आवश्यकताओं को पूरा करता है।

2.3 उच्च-विश्वसनीय यांत्रिक संरचना डिजाइन
(1) स्थायी चुंबकीय अलगाव स्विच
सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर की विश्वसनीयता और स्थिरता को बढ़ावा देने के लिए, एक द्विस्थितिक स्थायी चुंबकीय तंत्र वाला स्थायी चुंबकीय अलगाव स्विच डिजाइन किया गया है। इस संरचना में, बंद और खुलने के लिए धारण बल मुख्य रूप से स्थायी चुंबकों द्वारा प्रदान किया जाता है, जबकि कुंडली केवल स्विचिंग ऑपरेशन के दौरान एक क्षणिक रूप से ऊर्जापूर्ण की जाती है। यह पारंपरिक विद्युत-चुंबकीय अलगाव स्विचों की तुलना में लगभग 90% ऊर्जा उपभोग को कम करता है। Adams गतिशील सिमुलेशन विश्लेषण दिखाता है कि इस स्थायी चुंबकीय अलगाव स्विच की यांत्रिक जीवन अवधि 1 मिलियन ऑपरेशन से अधिक है, जिसमें संपर्क अलगाव गति 3 m/s है। उच्च संपर्क अलगाव गति दोष के घटना के दौरान तेजी से परिपथ को अलग करने की सुनिश्चितता प्रदान करती है, जिससे आर्क उत्पादन की संभावना कम हो जाती है और स्विच की विच्छेद क्षमता बढ़ जाती है। लंबी यांत्रिक जीवन अवधि लंबे समय तक स्थिर प्रदर्शन की सुनिश्चितता प्रदान करती है, रखरखाव और प्रतिस्थापन की आवृत्ति कम करती है, जिससे सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर के कार्यक्षम संचालन के लिए मजबूत समर्थन प्रदान किया जाता है।

(2) ऊष्मा प्रबंधन समाधान
उच्च शक्ति घनत्व वाले डिजाइन में ऊष्मा निकासी की चुनौतियों को संबोधित करने के लिए, एक एवापोरेटिव कूलिंग और बलपूर्वक वायु कूलिंग के संयोजन वाला संयुक्त शीतलन समाधान प्रस्तावित किया गया है। एवापोरेटिव कूलिंग तरल वाष्पीकरण के सिद्धांत का उपयोग करता है, जिससे छोटे अंतरिक्ष में दक्ष ऊष्मा स्थानांतरण होता है। बलपूर्वक वायु कूलिंग फैन-चालित बलपूर्वक वायु संचरण के माध्यम से ऊष्मा निकासी को और बढ़ाता है। यह संयुक्त शीतलन विधि मॉड्यूल के हॉटस्पॉट तापमान को 75°C से कम स्थिर करता है, जिसकी तापमान वृद्धि दर 5°C/मिनट से कम है, जो मानक आवश्यकताओं को पूरा करता है।III. प्रयोगशाला सत्यापन

3 प्रयोगशाला सत्यापन

3.1 प्रोटोटाइप पैरामीटर
महत्वपूर्ण तकनीकों और डिजाइन योजनाओं की प्रभावशीलता की सत्यापन के लिए, एक कम वोल्टेज DC सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर का प्रोटोटाइप विकसित किया गया है, जिसके मुख्य पैरामीटर निम्नलिखित हैं:

3.2 प्रकार की परीक्षण परिणाम

प्रोटोटाइप पर व्यापक प्रकार की परीक्षा की गई थी, जिसके द्वारा उसके प्रदर्शन की व्यावहारिक अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं को पूरा करने की जांच की गई थी:

(1) शॉर्ट-सर्किट विच्छेद परीक्षण
शॉर्ट-सर्किट दोष विद्युत सिस्टमों में सबसे गंभीर दोष प्रकारों में से एक है, और इसके द्वारा