Tecnologie chiave dei circuiti di interruzione a stato solido in corrente continua a bassa tensione

1 Sfide Tecniche

1.1 Stabilità del parallelo dei dispositivi
Nelle applicazioni pratiche, la capacità di portare corrente di un singolo dispositivo elettronico di potenza è relativamente limitata. Per soddisfare i requisiti di alta corrente, spesso si connettono in parallelo più dispositivi. Tuttavia, le variazioni dei parametri tra i dispositivi, come lievi differenze nella resistenza in conduzione e nella tensione di soglia, possono causare una distribuzione irregolare della corrente durante l'operazione in parallelo. Durante i transitori di commutazione, l'induttanza parassita e la capacitance portano a cambiamenti di corrente non uniformi tra i dispositivi in parallelo, aggravando l'instabilità della corrente. Se non affrontato tempestivamente, questo squilibrio può causare il surriscaldamento e il guasto di alcuni dispositivi a causa di una corrente eccessiva, riducendo così la durata di vita dell'interruttore a stato solido.

1.2 Ritardo nella rilevazione dei guasti
Nel sistema DC, le caratteristiche della corrente di guasto sono significativamente diverse da quelle del sistema AC, mancando i punti di attraversamento zero che aiutano nella rilevazione e interruzione dei guasti. Ciò richiede che gli interruttori a stato solido utilizzino algoritmi di rilevazione dei guasti a livello di microsecondi per identificare con precisione i guasti e rispondere rapidamente. I metodi tradizionali di rilevazione dei guasti subiscono ritardi significativi quando si tratta di correnti di guasto DC in rapida variazione, rendendoli incapaci di soddisfare le esigenze di protezione rapida.

1.3 Contraddizione tra dissipazione termica e volume
Per soddisfare la domanda dei moderni sistemi di potenza per densità di potenza elevata, i progetti degli interruttori a stato solido devono gestire maggiore potenza all'interno di uno spazio limitato. Tuttavia, una maggiore densità di potenza porta a un aumento repentino del calore generato dai dispositivi elettronici di potenza. Una dissipazione termica inadeguata causa temperature eccessive, degradando le prestazioni del dispositivo e potenzialmente innescando un guasto termico e il fallimento dell'equipaggiamento. Le tecniche di raffreddamento convenzionali si dimostrano poco efficaci con interruttori a stato solido ad alta densità di potenza. Anche se il raffreddamento a liquido può migliorare l'efficienza della dissipazione termica, aumenta le dimensioni e i costi dell'equipaggiamento. Pertanto, come bilanciare un raffreddamento efficiente con un controllo del volume ragionevole - ottenendo un'ottimizzazione sinergica - rimane una sfida chiave nel progetto degli interruttori a stato solido.

2 Ricerca su Tecnologie Chiave

2.1 Tecnologia di applicazione dei dispositivi a banda larga
(1) Selezione e impacchettamento di SiC MOSFET
Tra vari dispositivi a banda larga, i SiC MOSFET a bassa perdita di conduzione offrono vantaggi significativi. Per migliorarne le prestazioni nelle applicazioni multi-dispositivo in parallelo, viene adottata una disposizione simmetrica Direct Bonded Copper (DBC). Questa disposizione riduce efficacemente l'induttanza parassita, fondamentale per migliorare le caratteristiche di commutazione del dispositivo. Durante la commutazione, specialmente in fase di spegnimento, l'interazione tra l'induttanza parassita e la capacitance del dispositivo causa oscillazioni della tensione alla porta. I test sperimentali mostrano che, con una disposizione DBC simmetrica, le oscillazioni della tensione alla porta durante lo spegnimento possono essere controllate a meno del 5%. Questo non solo migliora la stabilità dinamica durante l'operazione in parallelo, ma riduce anche il rischio di danni al dispositivo causati dalle oscillazioni di tensione.

(2) Controllo dinamico della condivisione della corrente
Per affrontare la sfida dello squilibrio della corrente nei dispositivi in parallelo, viene introdotta una strategia di controllo che combina un bus di condivisione della corrente con una regolazione PI adattativa. Il bus di condivisione della corrente, attraverso un design strutturale unico, fornisce un percorso di distribuzione della corrente equilibrato per ogni ramo parallelo a livello fisico. Su questa base, un algoritmo di regolazione PI adattativo regola dinamicamente i segnali di pilotaggio di ciascun dispositivo in base al monitoraggio in tempo reale delle correnti dei rami, ottenendo un controllo più preciso della condivisione della corrente.

2.2 Tecnologia di rilevazione e interruzione rapida dei guasti
(1) Rilevazione dei guasti basata sulla tensione alla porta
L'analisi delle caratteristiche di cortocircuito del SiC MOSFET rivela che, durante un guasto di cortocircuito, la tensione drenatore-sorgente (VDS) aumenta rapidamente a 900V, mentre la tensione alla porta diminuisce significativamente con una pendenza superiore a 10 V/ns. Sfruttando questa caratteristica, viene progettato un comparatore a doppio soglia per la rilevazione rapida dei guasti, impostando due soglie di corrente: Ith1 = 500 A e Ith2 = 1,2 kA. Quando la corrente rilevata supera Ith1, viene attivato un avviso preliminare; superando Ith2 indica un guasto di cortocircuito confermato. Il circuito di rilevazione e l'algoritmo di elaborazione del segnale progettati raggiungono un ritardo di rilevazione di solo 0,8 μs. Questo approccio evita la complessa conversione e elaborazione del segnale dei metodi tradizionali, sfruttando le caratteristiche elettriche intrinseche del SiC MOSFET, migliorando significativamente l'accuratezza della rilevazione dei guasti.

(2) Strategia di interruzione ottimizzata multi-obiettivo
Per ottenere un'alta performance nell'interruzione dei guasti negli interruttori a stato solido, il tempo di interruzione (Δt), l'assorbimento di energia (EMOV) e la corrente di inrush (Ipeak) vengono impostati come funzioni obiettivo, ottimizzati utilizzando un algoritmo di ottimizzazione multi-obiettivo a stormo di particelle (MOPSO). Un tempo di interruzione più breve fornisce una migliore protezione per l'equipaggiamento del sistema; l'assorbimento di energia influenza la scelta e la durata dei componenti protettivi come i MOV; una corrente di inrush eccessiva causa stress elettrico significativo, influendo sul normale funzionamento dell'equipaggiamento.

Attraverso multiple iterazioni di ottimizzazione MOPSO, vengono determinati i parametri ottimali: induttore limitatore di corrente LB = 15 μH e coefficiente di limitazione di tensione del MOV γ = 1,8. Utilizzando questi parametri ottimizzati, il tempo di interruzione viene ridotto a 73,5 μs e la corrente massima è limitata a 526 A. Per dimostrare visivamente l'effetto dell'ottimizzazione, il metodo decisionale TOPSIS confronta i risultati prima e dopo l'ottimizzazione. Il confronto mostra miglioramenti significativi in indicatori chiave come il tempo di interruzione, l'assorbimento di energia e la corrente di inrush, migliorando notevolmente le prestazioni complessive e soddisfacendo meglio i requisiti ingegneristici pratici per un'interruzione rapida e affidabile degli interruttori a stato solido.

2.3 Progettazione di strutture meccaniche ad alta affidabilità
(1) Interruttore isolatore a magnete permanente
Per migliorare l'affidabilità e la stabilità degli interruttori a stato solido, viene progettato un interruttore isolatore a magnete permanente che utilizza un meccanismo bistabile a magnete permanente. In questa struttura, la forza di tenuta per la chiusura e l'apertura è fornita principalmente dai magneti permanenti, con la bobina alimentata solo momentaneamente durante le operazioni di commutazione. Questo riduce il consumo di energia di circa il 90% rispetto agli interruttori isolatori elettromagnetici tradizionali. L'analisi dinamica Adams mostra che la vita meccanica di questo interruttore isolatore a magnete permanente supera 1 milione di operazioni, con una velocità di separazione dei contatti di 3 m/s. La alta velocità di separazione dei contatti garantisce una disconnessione rapida del circuito in caso di guasto, riducendo la probabilità di formazione di archi e migliorando la capacità di interruzione dell'interruttore. La lunga vita meccanica assicura prestazioni stabili nel lungo periodo, riducendo la frequenza di manutenzione e sostituzione, fornendo quindi un forte supporto per l'efficiente operatività dell'interruttore a stato solido.

(2) Soluzione di gestione termica
Per affrontare le sfide di dissipazione termica nei progetti ad alta densità di potenza, viene proposta una soluzione di raffreddamento ibrido che combina il raffreddamento evaporativo con il raffreddamento forzato ad aria. Il raffreddamento evaporativo utilizza il principio dell'evaporazione del liquido che assorbe calore, consentendo un trasferimento di calore efficiente in spazi compatti. Il raffreddamento forzato ad aria migliora ulteriormente la dissipazione del calore tramite la convezione forzata guidata da ventole. Questo metodo di raffreddamento ibrido stabilizza la temperatura del punto caldo del modulo sotto i 75°C, con un tasso di aumento della temperatura inferiore a 5°C/min, soddisfacendo i requisiti standard.III. Verifica sperimentale

3 Verifica sperimentale

3.1 Parametri del prototipo
Per verificare l'efficacia delle tecnologie chiave e dei progetti, è stato sviluppato un prototipo di interruttore a stato solido DC a bassa tensione, con i principali parametri seguenti:

3.2 Risultati dei test di tipo

Sono stati condotti test di tipo completi sul prototipo per valutare se le sue prestazioni soddisfano i requisiti per le applicazioni pratiche:

(1) Test di interruzione di cortocircuito
I guasti di cortocircuito sono tra i tipi di guasto più gravi nei sistemi di potenza, e la corrente istantanea enorme che generano rappresenta una minaccia significativa per il funzionamento dell'equipaggiamento. Per simulare questa condizione estrema, è stato creato un ambiente di test con una corrente di cortocircuito di 23 kA - ponendo una sfida rigorosa all'interruttore a stato solido. All'inizio del test, il prototipo si è attivato rapidamente e la sua tecnologia integrata di rilevazione e interruzione rapida dei guasti ha iniziato a funzionare. Questa tecnologia, attraverso un monitoraggio di corrente ad alta precisione e un meccanismo di risposta rapida, ha rilevato la corrente anomala in un tempo estremamente breve e ha immediatamente attivato il processo di interruzione.

Durante l'interruzione, il personale di test ha osservato attentamente le prestazioni dell'interruttore, e non si è verificata alcuna riaccesione di arco durante tutto il processo. Questo risultato non solo dimostra l'alta efficienza della tecnologia di rilevazione e interruzione rapida dei guasti, ma evidenzia anche l'eccellente prestazione di interruzione dell'interruttore a stato solido. Negli interruttori tradizionali, la riaccesione di arco è un problema difficile da evitare che spesso porta a guasti secondari o persino a danni severi all'equipaggiamento. Al contrario, l'interruttore a stato solido evita con successo questo problema attraverso tecniche avanzate di interruzione, fornendo un forte supporto per l'operatività stabile dei sistemi di potenza.

(2) Test di aumento di temperatura
Le prestazioni termiche sono un altro fattore chiave nella valutazione degli interruttori a stato solido. Per valutare efficacemente la capacità di dissipazione termica del dispositivo durante l'operazione prolungata, è stato condotto un test di aumento di temperatura. È stato richiesto al prototipo di operare continuamente per 24 ore, durante le quali è stata generata una quantità significativa di calore [9]. Dopo il test, sono stati utilizzati sensori di temperatura per misurare la temperatura del prototipo. I risultati hanno mostrato un aumento di temperatura ΔT = 32 K. Questi dati confermano l'efficacia della soluzione di raffreddamento ibrido che combina il raffreddamento evaporativo con il raffreddamento forzato ad aria. Integrando il principio naturale di dissipazione termica del raffreddamento evaporativo con la convezione forzata del raffreddamento forzato ad aria, il sistema dissipa efficacemente il calore generato durante l'operazione, assicurando che il dispositivo rimanga entro un intervallo di temperatura accettabile. Una buona gestione termica non solo garantisce l'operatività stabile dell'interruttore a stato solido, ma ne estende anche la durata di vita.

(3) Test di durata
La durata di vita è un indicatore critico per determinare se un interruttore a stato solido può essere ampiamente applicato in sistemi di potenza reali. Pertanto, per verificare le sue prestazioni di durata, il prototipo è stato sottoposto a un test di endurance di un milione di cicli operativi. Durante tutto il test, il personale ha monitorato attentamente le variazioni della resistenza di contatto del prototipo. Dopo il test, la resistenza di contatto è stata misurata e si è scoperto che era cambiata di meno del 5%. Questo risultato conferma l'efficacia del design a lunga vita dell'interruttore isolatore a magnete permanente. Anche dopo un uso prolungato e frequenti operazioni, i contatti dell'interruttore mantengono un'eccellente conduttività, assicurando una funzionalità di accensione e spegnimento affidabile dell'interruttore a stato solido.

4 Conclusione
In sintesi, questo articolo presenta una soluzione tecnica per interruttori a stato solido DC a bassa tensione basata su una ricerca approfondita su tecnologie chiave, compresa l'ottimizzazione dei dispositivi a banda larga, algoritmi di controllo intelligenti e progettazione strutturale ad alta affidabilità. La verifica sperimentale dimostra che il prototipo sviluppato raggiunge prestazioni leader in indicatori chiave come velocità di interruzione, accuratezza di rilevazione dei guasti e durata di vita operativa.

Realizza con successo un'interruzione rapida a livello di microsecondi e una durata di vita di un milione di cicli, fornendo una soluzione pratica e fattibile per la protezione nei sistemi di distribuzione di energia rinnovabile. Guardando al futuro, ci sono molte promettenti direzioni di ricerca per gli interruttori a stato solido DC a bassa tensione. Ad esempio, l'istituzione di un modello di simulazione integrato a livello di dispositivo-impacchettamento-sistema potrebbe simulare in modo più completo le prestazioni degli interruttori a stato solido in varie condizioni operative, fornendo un supporto teorico più accurato per l'ottimizzazione del progetto.