低圧DC固体回路遮断器の主要技術

1 技術的課題

1.1 デバイス並列化の安定性
実際の応用では、単一のパワーエレクトロニクスデバイスの電流容量は比較的限られています。高電流要件を満たすために、多くの場合複数のデバイスを並列に接続します。しかし、オン抵抗やしきい値電圧などのデバイス間のパラメータのばらつきにより、並列動作中に電流分布が不均一になることがあります。スイッチングトランジェント中には、パラジットインダクタンスとキャパシタンスがさらに並列デバイス間の電流変化率を不均一にし、電流の不均衡を悪化させます。この不均衡が迅速に対処されないと、過大な電流により特定のデバイスが過熱し故障する可能性があり、固体回路遮断器の寿命が短くなります。

1.2 故障検出遅延
直流システムでは、交流システムとは異なり、ゼロクロス点が故障検出と遮断を助けるものがないため、故障電流特性が大きく異なります。これにより、固体回路遮断器はマイクロ秒レベルの故障検出アルゴリズムを使用して、正確に故障を識別し、迅速に反応する必要があります。従来の故障検出方法は、急速に変化する直流故障電流に対処する際に大きな遅延を生じ、高速保護の要求を満たすことができません。

1.3 放熱と体積の矛盾
現代の電力システムにおける高電力密度の要求を満たすため、固体回路遮断器の設計では限られた空間内でより高い電力処理能力を達成する必要があります。しかし、高い電力密度はパワーエレクトロニクスデバイスによって発生する熱の急激な増加につながります。十分な放熱が行われないと、過度の温度上昇によりデバイスの性能が低下し、熱暴走や装置の故障を引き起こす可能性があります。従来の冷却技術は、高電力密度の固体遮断器では効果が悪いです。液体冷却は放熱効率を改善しますが、装置のサイズとコストが増加します。したがって、効率的な冷却と適切な体積制御のバランスを取り、協調的な最適化を達成することは、固体回路遮断器の設計において重要な課題です。

2 主要技術研究

2.1 ワイドバンドギャップデバイス適用技術
(1) SiC MOSFET の選択とパッケージング
様々なワイドバンドギャップデバイスの中でも、低伝導損失のSiC MOSFETは大きな利点を持っています。多デバイス並列応用での性能を向上させるために、対称的なダイレクトボンディング銅（DBC）レイアウトが採用されています。このレイアウトはパラジットインダクタンスを効果的に減らし、デバイスのスイッチング特性を改善することが重要です。特にオフ時に、パラジットインダクタンスとデバイスキャパシタンスとの相互作用によりゲート電圧の振動が発生します。実験結果によると、対称的なDBCレイアウトを使用すると、オフ時のゲート電圧振動を5%未満に抑えることができます。これにより並列動作中の動的安定性が向上し、電圧振動によるデバイス損傷のリスクも減少します。

(2) 動的電流共有制御
並列デバイスにおける電流の不均衡の課題に対処するために、電流共有バスと適応型PI制御を組み合わせた制御戦略が導入されています。電流共有バスは独自の構造設計により、物理レベルで各並列ブランチに均等な電流分布パスを提供します。その上で、適応型PI制御アルゴリズムはブランチ電流のリアルタイム監視に基づいて各デバイスの駆動信号を動的に調整し、より正確な電流共有制御を実現します。

2.2 高速故障検出および遮断技術
(1) ゲート電圧に基づく故障検出
SiC MOSFETのショートサーキット特性の分析によると、ショートサーキット故障時にはドレインソース電圧（VDS）が急速に900Vまで上昇し、ゲート電圧は10 V/nsを超える傾きで大幅に低下します。この特性を利用し、双方向閾値コンパレータが設計され、2つの電流閾値Ith1 = 500 AとIth2 = 1.2 kAが設定されます。検出された電流がIth1を超えると初期警告が発生し、Ith2を超えると確実なショートサーキット故障と判断されます。設計された検出回路と信号処理アルゴリズムにより、検出遅延はわずか0.8 μsに抑えられます。このアプローチは、従来の方法の複雑な信号変換と処理を避けて、SiC MOSFETの固有の電気特性を利用して、故障検出精度を大幅に向上させます。

(2) 多目的最適化遮断戦略
固体回路遮断器での高性能な故障遮断を達成するため、遮断時間（Δt）、エネルギー吸収（EMOV）、およびインラッシュ電流（Ipeak）を目的関数として設定し、多目的粒子群最適化（MOPSO）アルゴリズムを使用して最適化します。短い遮断時間はシステム機器の保護をより良くします；エネルギー吸収は保護部品（MOVsなど）の選択と寿命に影響を与えます；過大なインラッシュ電流は大きな電気ストレスを引き起こし、正常な機器操作に影響を与えます。

MOPSO最適化の複数回の反復により、最適パラメータが決定されました：電流制限インダクタLB = 15 μHおよびMOV電圧制限係数γ = 1.8。これらの最適化されたパラメータを使用することで、遮断時間が73.5 μsに削減され、最大電流は526 Aに制限されます。最適化効果を視覚的に示すために、TOPSIS意思決定法を使用して最適化前後の結果を比較しました。比較結果から、遮断時間、エネルギー吸収、インラッシュ電流などの主要指標が大幅に改善され、全体的な性能が大幅に向上し、固体回路遮断器による高速かつ信頼性の高い遮断の実用的なエンジニアリング要件をよりよく満たすことが確認されました。

2.3 高信頼性機械構造設計
(1) 永久磁石隔離スイッチ
固体回路遮断器の信頼性と安定性を向上させるために、二安定永久磁石機構を採用した永久磁石隔離スイッチが設計されました。この構造では、閉鎖と開放の保持力は主に永久磁石によって提供され、コイルは切り替え操作時のみ瞬間的に励磁されます。これにより、従来の電磁式隔離スイッチと比較して約90%の消費電力を削減できます。Adams動的シミュレーション解析によると、この永久磁石隔離スイッチの機械寿命は100万回以上の動作を越え、接触分離速度は3 m/sです。高い接触分離速度は、故障発生時の迅速な回路切断を確保し、アーク生成の可能性を低減し、スイッチの遮断能力を向上させます。長寿命は長期使用でも安定した性能を保証し、メンテナンスと交換頻度を削減し、固体回路遮断器の効率的な動作に強力なサポートを提供します。

(2) 熱管理ソリューション
高電力密度設計における放熱の課題に対処するために、蒸発冷却と強制空冷を組み合わせたハイブリッド冷却ソリューションが提案されています。蒸発冷却は液体の蒸発による熱吸収の原理を利用し、コンパクトな空間での効率的な熱伝達を可能にします。強制空冷はファンによる強制対流により放熱をさらに強化します。このハイブリッド冷却方法により、モジュールのホットスポット温度は75°C以下に安定し、温度上昇率は5°C/min未満となり、標準要件を満たします。III. 実験的検証

3 実験的検証

3.1 プロトタイプのパラメータ
主要技術と設計スキームの有効性を検証するために、低電圧DC固体回路遮断器のプロトタイプを開発しました。主なパラメータは以下の通りです：

3.2 型式試験結果

プロトタイプに対して包括的な型式試験を行い、実用的な応用における性能要件を満たしているかどうかを評価しました：

(1) ショートサーキット遮断試験
ショートサーキット故障は電力システムにおける最も深刻な故障の一つであり、生成される瞬間的な巨大な電流は機器の動作に重大な脅威となります。この極端な状況をシミュレートするために、23 kAのショートサーキット電流試験環境を設けました—これは固体回路遮断器にとって厳しい挑戦となります。試験開始時、プロトタイプは急速に活性化し、内蔵の高速故障検出および遮断技術が機能し始めました。この技術は高精度の電流監視と高速応答メカニズムを通じて、非常に短時間で異常電流を検出し、即座に遮断プロセスをトリガーします。

遮断中、試験担当者は遮断器の性能を密接に観察し、全過程でアーク再着火は発生しませんでした。この結果は、高速故障検出および遮断技術の高効率性を示すとともに、固体回路遮断器の優れた遮断性能を強調しています。従来の遮断器では、アーク再着火は避けられない問題であり、しばしば二次故障や深刻な機器損傷につながります。一方、固体回路遮断器は高度な遮断技術を通じてこの問題を成功裏に回避し、電力システムの安定した動作に強力なサポートを提供します。

(2) 温度上昇試験
熱性能は固体回路遮断器の評価においてもう一つの重要な要素です。長時間動作中の装置の放熱能力を効果的に評価するために、温度上昇試験を行いました。プロトタイプは24時間連続で動作する必要があり、その間に大量の熱が発生しました[9]。試験後、温度センサーを使用してプロトタイプの温度を測定しました。結果は温度上昇ΔT = 32 Kでした。このデータは、蒸発冷却と強制空冷を組み合わせたハイブリッド冷却ソリューションの有効性を確認しています。蒸発冷却の自然放熱原理と強制空冷による強制対流を統合することで、システムは動作中に発生する熱を効率的に放出し、装置が許容範囲内の温度に保たれます。良好な熱管理は、固体回路遮断器の安定した動作を確保し、寿命を延ばします。

(3) 寿命試験
寿命は固体回路遮断器が実際の電力システムで広く適用できるかどうかを決定する重要な指標です。そのため、寿命性能を検証するために、プロトタイプは100万回の動作サイクルの耐久試験を受けました。試験中、担当者はプロトタイプの接触抵抗の変化を密接に監視しました。試験後、接触抵抗を測定し、変化は5%未満であることが確認されました。この結果は、永久磁石隔離スイッチの長寿命設計の有効性を確認しています。長期間かつ頻繁な動作後でも、スイッチの接触部は優れた導電性を維持し、固体回路遮断器の信頼性のあるオン/オフ機能を確保します。

4 結論
以上、本論文では、ワイドバンドギャップデバイスの最適化、知能制御アルゴリズム、高信頼性構造設計を含む主要技術の詳細な研究に基づく低電圧DC固体回路遮断器の技術的解決策を提示しました。実験的検証の結果、開発されたプロトタイプは、遮断速度、故障検出精度、動作寿命などの主要指標において優れた性能を達成しました。

ミクロン秒レベルの高速遮断と100万回の動作寿命を実現し、新エネルギー配電システムの保護に実用的かつ実行可能な解決策を提供します。今後、低電圧DC固体回路遮断器に関する有望な研究方向としては、例えばデバイス-パッケージ-システムレベルの統合シミュレーションモデルの確立が挙げられます。これにより、さまざまな動作条件下での固体回路遮断器の性能をより包括的にシミュレートし、設計最適化に向けたより正確な理論的支援を提供することができます。