Ključne tehnologije niskonaponskih DC čvrstotijelih prekidnika struje

1 Tehnički izazovi

1.1 Stabilnost paralelnog spoja uređaja
U praktičnim primjenama, kapacitet prijenosa struje pojedinačnog elektroničkog uređaja za snagu relativno je ograničen. Za ispunjenje zahtjeva za visokim strujama, često se više uređaja spojilo paralelno. Međutim, varijacije parametara između uređaja, poput malih razlika u otpornosti na stanju "on" i naponskom pragu, mogu uzrokovati nejednak distribuciju struje tijekom paralelnog rada. Tijekom prelaznih procesa, parašitna induktivnost i kapacitivnost dodatno dovode do nekonzistentne brzine promjene struje među paralelnim uređajima, pogoršavajući nejednakost struje. Ako se to ne riješi odmah, ova nejednakost može dovesti do pregrejanja i kvara određenih uređaja zbog previsoke struje, time smanjujući vremenski život čvrstotijelnog prekidnika.

1.2 Zakašnjenje u otkrivanju kvara
U DC sustavima karakteristike struje kvara značajno se razlikuju od AC sustava, nemajući nulte točke koje pomažu u otkrivanju i prekidu kvara. To zahtijeva da čvrstotijelni prekidnici koriste algoritme za otkrivanje kvara na razini mikrosekundi kako bi precizno identificirali kvarove i brzo reagirali. Tradicionalni metodi otkrivanja kvara imaju značajna zakašnjenja kada su suosnovani sa brzo mijenjanim DC strujama kvara, što ih čini neispunjenim zahtjevima za brzu zaštitu.

1.3 Kontradikcija između otopljavanja i volumena
Za ispunjenje potreba modernih sustava snage za visoku gustoću snage, dizajn čvrstotijelnih prekidnika mora postići veće upravljanje snage unutar ograničenog prostora. Međutim, viša gustoća snage dovodi do oštre poraste topline generirane od strane elektroničkih uređaja za snagu. Nedovoljno otopljavanje dovodi do previsokih temperatura, degradirajući performanse uređaja i potencijalno pokrećući termalni beži i kvar opreme. Konvencionalne tehnike hlađenja loše funkcioniraju s čvrstotijelnim prekidnicima visoke gustoće snage. Iako hlađenje tekućinom može poboljšati učinkovitost otopljavanja, povećava veličinu i cijenu opreme. Stoga, kako uskladiti učinkovito hlađenje s razumnom kontrolom volumena—postižući sinergetska optimizacija—ostaje ključni izazov u dizajnu čvrstotijelnih prekidnika.

2 Ključna istraživanja tehnologije

2.1 Primjena tehnologije širokospektralnih uređaja
(1) Odabir i pakiranje SiC MOSFET-a
Između različitih širokospektralnih uređaja, SiC MOSFET-i s niskim gubitcima provodnosti nude značajne prednosti. Za poboljšanje njihove performanse u aplikacijama s paralelnim spojem više uređaja, usvaja se simetričan raspored Direct Bonded Copper (DBC). Taj raspored efektivno smanjuje parašitnu induktivnost, što je ključno za poboljšanje karakteristika preklapanja uređaja. Tijekom preklapanja, posebno kod gasnjenja, interakcija između parašitne induktivnosti i kapacitivnosti uređaja uzrokuje oscilacije napona vrata. Eksperimentalni testovi pokazuju da simetrični DBC raspored može kontrolirati oscilacije napona vrata tijekom gasnjenja na manje od 5%. To ne samo poboljšava dinamičku stabilnost tijekom paralelnog rada, već smanjuje i rizik od oštećenja uređaja uzrokovan ogibanjem napona.

(2) Dinamička kontrola dijeljenja struje
Za rješavanje izazova nejednakosti struje u paralelnim uređajima, uvodi se strategija kontrole koja kombinira bus za dijeljenje struje s adaptivnom PI regulacijom. Bus za dijeljenje struje, kroz jedinstveni strukturni dizajn, osigurava ravnomjeran put distribucije struje za svaki paralelni granac na fizičkom nivou. Na temelju toga, algoritam adaptivne PI regulacije dinamički prilagođava signal pomicanja svakog uređaja temeljem stvarnog praćenja struja u grancima, ostvarujući precizniju kontrolu dijeljenja struje.

2.2 Brza tehnologija otkrivanja i prekida kvara
(1) Otkrivanje kvara temeljeno na naponu vrata
Analiza karakteristika kraćeg spoja SiC MOSFET-a pokazuje da tijekom kraćeg spoja, napon između drenca i izvoda (VDS) brzo skoči na 900V, dok se napon vrata značajno smanji s nagibom prema gore od 10 V/ns. Koristeći tu karakteristiku, dizajniran je dualni poređenik s pragom za brzo otkrivanje kvara, postavljajući dva praga struje: Ith1 = 500 A i Ith2 = 1.2 kA. Kada detektirana struja premaši Ith1, aktivira se inicijalno upozorenje; premašivanje Ith2 označava potvrđeni krajni kvar. Projektirani detekcijski krug i algoritam obrade signala postižu zakašnjenje u otkrivanju od samo 0.8 μs. Ovaj pristup izbjegava složenu pretvorbu i obradu signala tradicionalnih metoda, koristeći intrinske električne karakteristike SiC MOSFET-a, značajno poboljšavajući točnost otkrivanja kvara.

(2) Optimizirana strategija prekida s više ciljeva
Za postizanje visokoperformantnog prekida kvara u čvrstotijelnim prekidnicima, vrijeme prekida (Δt), apsorpcija energije (EMOV) i struja prebacivanja (Ipeak) postavljaju se kao funkcije cilja, optimizirane pomoću algoritma optimizacije višestrukih čestica (MOPSO). Kraće vrijeme prekida pruža bolju zaštitu opreme sustava; apsorpcija energije utječe na odabir i vremenski život zaštitnih komponenti poput MOV-a; prevelika struja prebacivanja uzrokuje značajnu elektromehaničku naprezanost, utječeći na normalnu operaciju opreme.

Kroz više iteracija MOPSO optimizacije, određeni su optimalni parametri: ograničavajući induktor LB = 15 μH i koeficijent ograničenja napona MOV-a γ = 1.8. Koristeći ove optimizirane parametre, vrijeme prekida smanjeno je na 73.5 μs, a maksimalna struja ograničena je na 526 A. Da bi se vizualno demonstrirao učinak optimizacije, metodom odlučivanja TOPSIS uspoređuju se rezultati prije i poslije optimizacije. Usporedba pokazuje značajne poboljšanja ključnih pokazatelja, poput vremena prekida, apsorpcije energije i struje prebacivanja, značajno poboljšavajući ukupnu performansu i bolje ispunjavajući praktične inženjerske zahtjeve za brzim i pouzdanim prekidom čvrstotijelnih prekidnika.

2.3 Dizajn visoko pouzdanog mehaničkog strukture
(1) Prekidnik s trajnim magnetom
Za poboljšanje pouzdanosti i stabilnosti čvrstotijelnih prekidnika, dizajniran je prekidnik s trajnim magnetom koji koristi bistabilni mehanizam trajnog magneta. U toj strukturi, sila držanja za zatvaranje i otvaranje uglavnom se pruža preko trajnih magneta, dok se bobina energizira samo privremeno tijekom operacija preklapanja. To smanjuje potrošnju energije približno za 90% u usporedbi s tradicionalnim elektromagnetskim prekidnicima. Adams analiza dinamike pokazuje da mehanički život ovog prekidnika s trajnim magnetom premašuje 1 milijun radnji, s brzinom razdvajanja kontakata od 3 m/s. Visoka brzina razdvajanja kontakata osigurava brzo prekidanje kruga pri pojavlju kvara, smanjujući vjerojatnost nastanka lukova i poboljšavajući sposobnost prekida prekidnika. Dugi mehanički život osigurava stabilnu performansu tijekom dugog korištenja, smanjujući frekvenciju održavanja i zamjene, tako osiguravajući snažnu podršku za učinkovitu operaciju čvrstotijelnog prekidnika.

(2) Rješenje upravljanja toplinom
Za rješavanje izazova otopljavanja u dizajnima visoke gustoće snage, predlaže se hibridno rješenje hlađenja koje kombinira parni hladnjak s prisilnim zračnim hlađenjem. Parni hladnjak koristi princip isparavanja tekućine za apsorbiranje topline, omogućujući učinkovit prijenos topline u kompaktnim prostorima. Prisilno zračno hlađenje dalje poboljšava otopljavanje kroz prisilnu konvekciju pokrenutu ventilatorima. Ovaj hibridni metod hlađenja stabilizira temperaturu točke toplinskog fokusa modula ispod 75°C, s stopom porasta temperature manjom od 5°C/min, ispunjavajući standardne zahtjeve.III. Eksperimentalna verifikacija

3 Eksperimentalna verifikacija

3.1 Parametri prototipa
Za potvrdu učinkovitosti ključnih tehnologija i shema dizajna, razvijen je prototip niskonaponskog DC čvrstotijelnog prekidnika, s glavnim parametrima sljedećim:

3.2 Rezultati tipovitih testova

Na prototipu su provedeni kompleksni tipoviti testovi kako bi se procijenilo jesu li njegove performanse u skladu sa zahtjevima za praktične primjene:

(1) Test prekida kraćeg spoja
Kraći spoj je jedan od najtežih vrsta kvara u sustavima snage, a ogromna trenutna struja koju generira predstavlja značajan opasnost za rad opreme. Za simulaciju ove ekstremne situacije, uspostavljeno je okruženje za testiranje kraćeg spoja od 23 kA—predstavljajući rigorozni izazov za čvrstotijelni prekidnik. Na početku testa, prototip je brzo aktivirao, a njegova ugrađena tehnologija brzog otkrivanja i prekida kvara počela je djelovati. Ova tehnologija, kroz visokoprecizno praćenje struje i brz mehanizam reagiranja, otkrila je nepravilnu struju u izuzetno kratkom vremenu i odmah pokrenula proces prekida.

Tijekom prekida, osoblje testiranja pažljivo je pratilo performanse prekidnika, a tokom cijelog procesa nije došlo do ponovnog zapaljenja luka. Taj rezultat ne samo demonstrira visoku učinkovitost tehnologije brzog otkrivanja i prekida kvara, već i ističe superiorne performanse prekida čvrstotijelnog prekidnika. U tradicionalnim prekidnicima, ponovno zapaljenje luka je problem koji je teško izbjegnuti, često dovodeći do sekundarnih kvara ili čak teških oštećenja opreme. U suprotnom, čvrstotijelni prekidnik uspješno izbjegava taj problem kroz napredne tehnologije prekida, tako pružajući snažnu podršku za stabilni rad sustava snage.

(2) Test porasta temperature
Toplinski performanse su još jedan ključni faktor u procjeni čvrstotijelnih prekidnika. Za efikasnu procjenu sposobnosti otopljavanja uređaja tijekom dugotrajnog rada, proveden je test porasta temperature. Prototip trebao je neprekidno raditi 24 sata, tijekom kojih je generirana značajna toplina [9]. Nakon testa, senzori temperature korišteni su za mjerenje temperature prototipa. Rezultati su pokazali porast temperature ΔT = 32 K. Ovi podaci potvrđuju učinkovitost hibridnog rješenja hlađenja koje kombinira parni hladnjak s prisilnim zračnim hlađenjem. Integriranjem prirodnog principa otopljavanja parnog hladnjaka s prisilnom konvekcijom prisilnog zračnog hlađenja, sustav učinkovito disipa toplinu generiranu tijekom rada, osiguravajući da uređaj ostane u prihvatljivom temperaturnom rasponu. Dobro upravljanje toplinom ne samo osigurava stabilan rad čvrstotijelnog prekidnika, već i produžava njegov vremenski život.

(3) Test vremenskog života
Vremenski život je ključni pokazatelj za određivanje može li čvrstotijelni prekidnik biti široko primjenjen u stvarnim sustavima snage. Stoga, kako bi se provjerile njegove performanse vremenskog života, prototip je podvrgnut testu održivosti od milijun radnji. Tijekom testa, osoblje je pažljivo pratilo promjene otpora kontakata prototipa. Nakon testa, mjereno je otporno kontakata i utvrđeno je da se promijenilo manje od 5%. Taj rezultat potvrđuje učinkovitost dugovremenog dizajna prekidnika s trajnim magnetom. Čak i nakon dugog i čestog korištenja, kontakti prekidnika održavaju odličnu provodljivost, osiguravajući pouzdano uključivanje i isključivanje čvrstotijelnog prekidnika.

4 Zaključak
Ukratko, u ovom radu predstavljeno je tehničko rješenje za niskonaponske DC čvrstotijelne prekidnike temeljeno na dubokoj analizi ključnih tehnologija, uključujući optimizaciju širokospektralnih uređaja, pametnih algoritama upravljanja i dizajna visoke pouzdanosti. Eksperimentalna validacija pokazuje da razvijeni prototip postiže vodeće performanse u ključnim pokazateljima, poput brzine prekida, točnosti otkrivanja kvara i vremenskog života rada.

Uspešno se ostvaruje brzi prekid na razini mikrosekundi i vremenski život od milijun radnji, pružajući praktično i ispunjivo rješenje za zaštitu u sustavima distribucije novih izvora energije. Gledajući u budućnost, postoje mnoge obiecavajuće smjernice istraživanja za niskonaponske DC čvrstotijelne prekidnike. Na primjer, postavljanje integriranog simulacijskog modela na razini uređaja-pakiranja-sustava moglo bi detaljnije simulirati performanse čvrstotijelnih prekidnika u različitim uvjetima rada, pružajući precizniju teorijsku podršku za optimizaciju dizajna.