Teknologi Kunci Pemutus Sirkuit Padat Niskala DC Tekanan Rendah

1 Tantangan Teknis

1.1 Stabilitas Paralel Perangkat
Dalam aplikasi praktis, kapasitas arus perangkat elektronik daya tunggal relatif terbatas. Untuk memenuhi kebutuhan arus tinggi, sering kali beberapa perangkat dihubungkan secara paralel. Namun, variasi parameter antar perangkat—seperti perbedaan kecil dalam resistansi on dan tegangan ambang—dapat menyebabkan distribusi arus yang tidak merata selama operasi paralel. Selama transien penggantian, induktansi parasit dan kapasitansi lebih lanjut menyebabkan laju perubahan arus yang tidak konsisten antara perangkat paralel, memperburuk ketidakseimbangan arus. Jika tidak ditangani dengan cepat, ketidakseimbangan ini dapat menyebabkan beberapa perangkat panas berlebihan dan gagal karena arus berlebih, sehingga mengurangi umur layanan pemutus sirkuit padat.

1.2 Penundaan Deteksi Kegagalan
Dalam sistem DC, karakteristik arus kegagalan berbeda signifikan dari sistem AC, tanpa titik nol yang membantu dalam deteksi dan pemutusan kegagalan. Ini memerlukan pemutus sirkuit padat untuk menggunakan algoritma deteksi kegagalan level mikrodetik untuk mengidentifikasi kegagalan dengan akurat dan merespons dengan cepat. Metode deteksi kegagalan tradisional mengalami penundaan signifikan saat menangani arus kegagalan DC yang berubah-ubah dengan cepat, membuat mereka tidak mampu memenuhi tuntutan perlindungan cepat.

1.3 Kontradiksi Antara Pemancaran Panas dan Volume
Untuk memenuhi permintaan sistem daya modern akan kepadatan daya tinggi, desain pemutus sirkuit padat harus mencapai penanganan daya yang lebih besar dalam ruang terbatas. Namun, kepadatan daya yang lebih tinggi menyebabkan peningkatan tajam dalam panas yang dihasilkan oleh perangkat elektronik daya. Pemancaran panas yang tidak memadai menyebabkan suhu berlebih, menurunkan kinerja perangkat dan potensial memicu lari panas dan kegagalan peralatan. Teknik pendinginan konvensional berkinerja buruk dengan pemutus sirkuit padat kepadatan daya tinggi. Meskipun pendinginan cair dapat meningkatkan efisiensi pemancaran panas, namun itu meningkatkan ukuran dan biaya peralatan. Oleh karena itu, bagaimana menyeimbangkan pendinginan yang efisien dengan kontrol volume yang wajar—mencapai optimasi sinergis—tetap menjadi tantangan kunci dalam desain pemutus sirkuit padat.

2 Penelitian Teknologi Kunci

2.1 Teknologi Aplikasi Perangkat Bandgap Lebar
(1) Pemilihan dan Packaging SiC MOSFET
Diantara berbagai perangkat bandgap lebar, SiC MOSFET dengan kerugian konduksi rendah menawarkan keunggulan signifikan. Untuk meningkatkan kinerjanya dalam aplikasi paralel multi-perangkat, layout DBC (Direct Bonded Copper) simetris diterapkan. Layout ini secara efektif mengurangi induktansi parasit, yang penting untuk meningkatkan karakteristik switching perangkat. Selama switching, terutama pada saat turn-off, interaksi antara induktansi parasit dan kapasitansi perangkat menyebabkan osilasi tegangan gerbang. Uji eksperimental menunjukkan bahwa dengan layout DBC simetris, osilasi tegangan gerbang selama turn-off dapat dikendalikan kurang dari 5%. Ini tidak hanya meningkatkan stabilitas dinamis selama operasi paralel tetapi juga mengurangi risiko kerusakan perangkat akibat osilasi tegangan.

(2) Kontrol Pembagian Arus Dinamis
Untuk mengatasi tantangan ketidakseimbangan arus dalam perangkat paralel, strategi kontrol yang menggabungkan bus pembagian arus dengan regulasi PI adaptif diperkenalkan. Bus pembagian arus, melalui desain struktural unik, memberikan jalur distribusi arus yang seimbang untuk setiap cabang paralel pada tingkat fisik. Berdasarkan ini, algoritma regulasi PI adaptif secara dinamis menyesuaikan sinyal drive setiap perangkat berdasarkan pemantauan real-time arus cabang, mencapai kontrol pembagian arus yang lebih presisi.

2.2 Teknologi Deteksi dan Pemutusan Kegagalan Cepat
(1) Deteksi Kegagalan Berbasis Tegangan Gerbang
Analisis karakteristik short-circuit SiC MOSFET menunjukkan bahwa selama kegagalan short-circuit, tegangan drain-source (VDS) naik cepat hingga 900V sementara tegangan gerbang turun signifikan dengan kemiringan melebihi 10 V/ns. Dengan memanfaatkan karakteristik ini, komparator dual-threshold dirancang untuk deteksi kegagalan cepat, menetapkan dua ambang arus: Ith1 = 500 A dan Ith2 = 1.2 kA. Ketika arus yang terdeteksi melebihi Ith1, peringatan awal dipicu; melebihi Ith2 menandakan kegagalan short-circuit yang terkonfirmasi. Rangkaian deteksi dan algoritma pemrosesan sinyal yang dirancang mencapai penundaan deteksi hanya 0,8 μs. Pendekatan ini menghindari konversi dan pemrosesan sinyal kompleks metode tradisional dengan memanfaatkan karakteristik listrik inheren SiC MOSFET, meningkatkan akurasi deteksi kegagalan secara signifikan.

(2) Strategi Pemutusan Optimasi Multi-Tujuan
Untuk mencapai pemutusan kegagalan performa tinggi dalam pemutus sirkuit padat, waktu pemutusan (Δt), penyerapan energi (EMOV), dan arus puncak (Ipeak) ditetapkan sebagai fungsi tujuan, dioptimalkan menggunakan algoritma optimasi partikel swarm multi-tujuan (MOPSO). Waktu pemutusan yang lebih pendek memberikan perlindungan yang lebih baik bagi peralatan sistem; penyerapan energi mempengaruhi pemilihan dan umur komponen pelindung seperti MOV; arus puncak berlebihan menyebabkan stres listrik signifikan, mempengaruhi operasi normal peralatan.

Melalui iterasi MOPSO optimalisasi berulang, parameter optimal ditentukan: induktor pembatas arus LB = 15 μH dan koefisien pembatasan tegangan MOV γ = 1.8. Dengan menggunakan parameter optimal ini, waktu pemutusan dikurangi menjadi 73.5 μs, dan arus maksimum dibatasi hingga 526 A. Untuk mendemonstrasikan efek optimalisasi secara visual, metode pengambilan keputusan TOPSIS membandingkan hasil sebelum dan sesudah optimalisasi. Perbandingan menunjukkan peningkatan signifikan dalam indikator kunci seperti waktu pemutusan, penyerapan energi, dan arus puncak, sangat meningkatkan kinerja keseluruhan dan lebih memenuhi persyaratan teknik praktis untuk pemutusan cepat dan andal oleh pemutus sirkuit padat.

2.3 Desain Struktur Mekanis Tingkat Keandalan Tinggi
(1) Saklar Isolator Magnet Tetap
Untuk meningkatkan keandalan dan stabilitas pemutus sirkuit padat, saklar isolator magnet tetap dengan mekanisme magnet tetap bistabil dirancang. Dalam struktur ini, gaya pegangan untuk menutup dan membuka sebagian besar disediakan oleh magnet tetap, dengan coil hanya diberi energi sementara selama operasi switching. Ini mengurangi konsumsi daya sekitar 90% dibandingkan dengan saklar isolator elektromagnetik tradisional. Analisis simulasi dinamis Adams menunjukkan bahwa umur mekanis saklar isolator magnet tetap ini melebihi 1 juta operasi, dengan kecepatan pemisahan kontak 3 m/s. Kecepatan pemisahan kontak yang tinggi memastikan pemutusan sirkuit yang cepat saat terjadi kegagalan, mengurangi kemungkinan terjadinya busur api dan meningkatkan kemampuan pemutusan saklar. Umur mekanis yang panjang memastikan kinerja stabil selama penggunaan jangka panjang, mengurangi frekuensi perawatan dan penggantian, sehingga memberikan dukungan kuat untuk operasi efisien pemutus sirkuit padat.

(2) Solusi Manajemen Termal
Untuk mengatasi tantangan pemancaran panas dalam desain kepadatan daya tinggi, solusi pendinginan hibrida yang menggabungkan pendinginan evaporatif dengan pendinginan paksa udara diperkenalkan. Pendinginan evaporatif memanfaatkan prinsip penguapan cairan yang menyerap panas, memungkinkan transfer panas yang efisien dalam ruang sempit. Pendinginan paksa udara lebih lanjut meningkatkan pemancaran panas melalui konveksi paksa yang didorong kipas. Metode pendinginan hibrida ini menstabilkan suhu titik panas modul di bawah 75°C, dengan laju kenaikan suhu kurang dari 5°C/menit, memenuhi standar yang diperlukan.III. Verifikasi Eksperimental

3 Verifikasi Eksperimental

3.1 Parameter Prototipe
Untuk memverifikasi efektivitas teknologi kunci dan skema desain, prototipe pemutus sirkuit padat DC tekanan rendah dikembangkan, dengan parameter utama sebagai berikut:

3.2 Hasil Uji Tipe

Uji tipe komprehensif dilakukan pada prototipe untuk mengevaluasi apakah kinerjanya memenuhi persyaratan untuk aplikasi praktis:

(1) Uji Pemutusan Short-Circuit
Kegagalan short-circuit adalah salah satu jenis kegagalan paling parah dalam sistem daya, dan arus instan yang besar yang dihasilkannya merupakan ancaman signifikan bagi operasi peralatan. Untuk mensimulasikan kondisi ekstrem ini, lingkungan uji arus short-circuit 23 kA dibuat—menyajikan tantangan yang ketat bagi pemutus sirkuit padat. Pada awal uji, prototipe dengan cepat aktif, dan teknologi deteksi dan pemutusan kegagalan cepat yang terintegrasi mulai berfungsi. Teknologi ini, melalui pemantauan arus presisi tinggi dan mekanisme respons cepat, mendeteksi arus abnormal dalam waktu sangat singkat dan segera memicu proses pemutusan.

Selama pemutusan, personel uji secara dekat mengamati kinerja pemutus, dan tidak terjadi re-ignisi busur sepanjang proses. Hasil ini tidak hanya menunjukkan efisiensi tinggi teknologi deteksi dan pemutusan kegagalan cepat, tetapi juga menyoroti kinerja pemutusan superior pemutus sirkuit padat. Dalam pemutus sirkuit tradisional, re-ignisi busur adalah masalah yang sulit dihindari yang sering menyebabkan kegagalan sekunder atau bahkan kerusakan peralatan yang parah. Sebaliknya, pemutus sirkuit padat berhasil menghindari masalah ini melalui teknik pemutusan canggih, sehingga memberikan dukungan kuat untuk operasi stabil sistem daya.

(2) Uji Kenaikan Suhu
Kinerja termal adalah faktor kunci lain dalam mengevaluasi pemutus sirkuit padat. Untuk secara efektif menilai kemampuan pemancaran panas perangkat selama operasi jangka panjang, uji kenaikan suhu dilakukan. Prototipe diminta untuk beroperasi terus-menerus selama 24 jam, selama periode tersebut panas signifikan dihasilkan [9]. Setelah uji, sensor suhu digunakan untuk mengukur suhu prototipe. Hasil menunjukkan kenaikan suhu ΔT = 32 K. Data ini mengonfirmasi efektivitas solusi pendinginan hibrida yang menggabungkan pendinginan evaporatif dan pendinginan paksa udara. Dengan mengintegrasikan prinsip pemancaran panas alami pendinginan evaporatif dengan konveksi paksa pendinginan paksa udara, sistem secara efisien memancarkan panas yang dihasilkan selama operasi, memastikan perangkat tetap dalam rentang suhu yang dapat diterima. Manajemen termal yang baik tidak hanya memastikan operasi stabil pemutus sirkuit padat tetapi juga memperpanjang umur layanannya.

(3) Uji Umur Layanan
Umur layanan adalah indikator kritis untuk menentukan apakah pemutus sirkuit padat dapat diterapkan secara luas dalam sistem daya nyata. Oleh karena itu, untuk memverifikasi kinerja umur layanan, prototipe menjalani uji ketahanan sebanyak satu juta siklus operasional. Sepanjang uji, personel secara dekat memantau perubahan resistansi kontak prototipe. Setelah uji, resistansi kontak diukur dan ditemukan berubah kurang dari 5%. Hasil ini mengvalidasi efektivitas desain umur panjang saklar isolator magnet tetap. Bahkan setelah operasi panjang dan sering, kontak saklar tetap memiliki konduktivitas yang luar biasa, memastikan fungsi on/off yang andal dari pemutus sirkuit padat.

4 Kesimpulan
Secara ringkas, makalah ini menyajikan solusi teknis untuk pemutus sirkuit padat DC tekanan rendah berdasarkan penelitian mendalam tentang teknologi kunci, termasuk optimasi perangkat bandgap lebar, algoritma kontrol cerdas, dan desain struktur tingkat keandalan tinggi. Validasi eksperimental menunjukkan bahwa prototipe yang dikembangkan mencapai kinerja terdepan dalam indikator kunci seperti kecepatan pemutusan, akurasi deteksi kegagalan, dan umur operasional.

Solusi ini berhasil mewujudkan pemutusan level mikrodetik dan umur operasional satu juta siklus, menyediakan solusi praktis dan layak untuk perlindungan dalam sistem distribusi daya energi baru. Menatap ke depan, ada banyak arah penelitian yang menjanjikan untuk pemutus sirkuit padat DC tekanan rendah. Misalnya, pembuatan model simulasi terintegrasi level perangkat-paket-sistem dapat lebih menyeluruh mensimulasikan kinerja pemutus sirkuit padat dalam berbagai kondisi operasional, sehingga memberikan dukungan teoretis yang lebih akurat untuk optimasi desain.