저전압 DC 고체 상태 회로 차단기의 핵심 기술

1 기술적 도전과제

1.1 장치 병렬화의 안정성
실제 응용 분야에서 단일 전력 전자 장치의 전류 용량은 상대적으로 제한적입니다. 고전류 요구 사항을 충족하기 위해 여러 장치를 종종 병렬로 연결합니다. 그러나 장치 간의 매개변수 변동—예를 들어 온 저항과 임계 전압의 미세한 차이—는 병렬 작동 중 불균형된 전류 분포를 초래할 수 있습니다. 스위칭 과도 상태에서 부수적인 인덕턴스와 커패시턴스는 병렬 장치 간의 일관되지 않은 전류 변화율을 더욱 악화시킵니다. 이 불균형이 즉시 해결되지 않으면 특정 장치가 과도한 전류로 인해 과열되어 실패하게 되어 고체상태 회로 차단기의 서비스 수명이 줄어들게 됩니다.

1.2 고장 감지 지연
직류 시스템에서 고장 전류 특성은 교류 시스템과 크게 다릅니다. 고장 감지 및 차단에 도움이 되는 영점이 없습니다. 이를 위해 고체상태 회로 차단기는 마이크로초 수준의 고장 감지 알고리즘을 사용하여 고장을 정확히 식별하고 신속하게 대응해야 합니다. 전통적인 고장 감지 방법은 빠르게 변화하는 직류 고장 전류를 처리할 때 상당한 지연이 발생하여 빠른 보호 요구 사항을 충족하지 못합니다.

1.3 열 방출과 부피 간의 모순
현대 전력 시스템의 고밀도 전력 요구 사항을 충족하기 위해 고체상태 회로 차단기 설계는 제한된 공간 내에서 더 많은 전력을 처리해야 합니다. 그러나 높은 전력 밀도는 전력 전자 장치에서 생성되는 열을 급격히 증가시킵니다. 열 방출이 부족하면 과도한 온도로 인해 장치 성능이 저하되고 열 가동 현상이 발생하여 장비가 손상될 수 있습니다. 전통적인 냉각 기법은 고밀도 고체상태 차단기에 대해 효과가 좋지 않습니다. 액체 냉각은 열 방출 효율을 개선할 수 있지만 장비 크기와 비용을 증가시킵니다. 따라서 효율적인 냉각과 적절한 부피 제어 사이의 균형을 맞추는 것은 고체상태 회로 차단기 설계의 주요 도전 과제입니다.

2 핵심 기술 연구

2.1 넓은 밴드갭 장치 적용 기술
(1) SiC MOSFET 선택 및 패키징
여러 넓은 밴드갭 장치 중에서 저전도 손실 SiC MOSFET는 상당한 장점을 제공합니다. 여러 장치 병렬 응용 프로그램에서 성능을 향상시키기 위해 대칭적인 직접 결합 구리(DBC) 레이아웃이 채택되었습니다. 이 레이아웃은 부수적인 인덕턴스를 효과적으로 줄여 장치 스위칭 특성을 개선하는 데 중요합니다. 특히 오프 상태에서 부수적인 인덕턴스와 장치 커패시턴스 간의 상호 작용으로 게이트 전압 진동이 발생합니다. 실험 결과, 대칭적인 DBC 레이아웃을 사용하면 오프 상태에서 게이트 전압 진동을 5% 미만으로 제어할 수 있었습니다. 이는 병렬 작동 중 동적 안정성을 향상시키고 전압 진동으로 인한 장치 손상 위험을 줄입니다.

(2) 동적 전류 공유 제어
병렬 장치 간의 전류 불균형 문제를 해결하기 위해, 전류 공유 버스와 적응형 PI 조절을 결합한 제어 전략이 도입되었습니다. 독특한 구조 설계를 통해 전류 공유 버스는 각 병렬 브랜치에 균형 잡힌 전류 분배 경로를 물리적으로 제공합니다. 이를 바탕으로, 적응형 PI 조절 알고리즘은 브랜치 전류를 실시간으로 모니터링하여 각 장치의 드라이브 신호를 동적으로 조정하여 보다 정밀한 전류 공유 제어를 달성합니다.

2.2 빠른 고장 감지 및 차단 기술
(1) 게이트 전압 기반 고장 감지
SiC MOSFET의 단락 특성 분석 결과, 단락 고장 시 배전압(VDS)이 900V로 급격히 상승하며 게이트 전압은 10 V/ns를 초과하는 기울기로 크게 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 특성을 활용하여, 두 개의 전류 임계값(Ith1 = 500 A, Ith2 = 1.2 kA)을 설정하는 이중 임계값 비교기를 설계했습니다. 감지된 전류가 Ith1을 초과하면 초기 경고가 트리거되고, Ith2를 초과하면 확실한 단락 고장이 확인됩니다. 설계된 감지 회로와 신호 처리 알고리즘은 0.8 μs의 감지 지연만을 달성합니다. 이 접근 방식은 전통적인 방법의 복잡한 신호 변환 및 처리를 우회하고 SiC MOSFET의 본질적인 전기 특성을 활용하여 고장 감지 정확도를 크게 향상시킵니다.

(2) 다목적 최적화 차단 전략
고체상태 회로 차단기에서 고성능 고장 차단을 달성하기 위해, 차단 시간(Δt), 에너지 흡수(EMOV), 그리고 급격한 전류(Ipeak)를 목표 함수로 설정하고 다목적 입자 군집 최적화(MOPSO) 알고리즘을 사용하여 최적화합니다. 짧은 차단 시간은 시스템 장비를 더 잘 보호하며, 에너지 흡수는 MOV와 같은 보호 구성 요소의 선택 및 수명에 영향을 미칩니다. 과도한 급격한 전류는 중요한 전기 스트레스를 초래하여 장비의 정상적인 작동에 영향을 미칩니다.

MOPSO 최적화의 여러 반복을 통해 최적의 매개변수를 결정했습니다: 전류 제한 인덕턴스 LB = 15 μH, MOV 전압 제한 계수 γ = 1.8. 이러한 최적화된 매개변수를 사용하여 차단 시간은 73.5 μs로 줄이고 최대 전류는 526 A로 제한할 수 있습니다. 최적화 효과를 시각적으로 보여주기 위해 TOPSIS 의사결정 방법을 사용하여 최적화 전후의 결과를 비교했습니다. 비교 결과, 차단 시간, 에너지 흡수, 급격한 전류 등의 주요 지표에서 상당한 개선이 이루어져 전체 성능이 크게 향상되었으며, 고체상태 회로 차단기의 빠르고 신뢰성 있는 차단 요구 사항을 더 잘 충족하도록 합니다.

2.3 고신뢰성 기계 구조 설계
(1) 영구자석 격리 스위치
고체상태 회로 차단기의 신뢰성과 안정성을 향상시키기 위해, 양안정 상태 영구자석 메커니즘을 사용하는 영구자석 격리 스위치를 설계했습니다. 이 구조에서 폐쇄 및 개방 유지력은 주로 영구자석에 의해 제공되며, 스위칭 작업 중에는 일시적으로 코일이 가동됩니다. 이는 전통적인 전자석 격리 스위치보다 약 90%의 전력 소모를 줄입니다. Adams 동적 시뮬레이션 분석에 따르면, 이 영구자석 격리 스위치의 기계 수명은 100만 번 이상이며 접촉 분리 속도는 3 m/s입니다. 높은 접촉 분리 속도는 고장 발생 시 빠른 회로 차단을 보장하여 아크 발생 가능성을 줄이고 스위치의 차단 능력을 향상시킵니다. 긴 기계 수명은 장기간 사용에도 안정적인 성능을 보장하여 유지보수 및 교체 빈도를 줄이고, 고체상태 회로 차단기의 효율적인 작동을 강력하게 지원합니다.

(2) 열 관리 솔루션
고밀도 설계에서 열 방출 문제를 해결하기 위해 증발 냉각과 강제 공기 냉각을 결합한 하이브리드 냉각 솔루션이 제안되었습니다. 증발 냉각은 액체 증발이 열을 흡수하는 원리를 이용하여 협소한 공간에서도 효율적인 열 전달을 가능하게 합니다. 강제 공기 냉각은 팬 구동 강제 대류를 통해 열 방출을 더욱 향상시킵니다. 이 하이브리드 냉각 방법은 모듈의 핫스팟 온도를 75°C 이하로 안정화시키며, 온도 상승률은 5°C/min 미만으로 표준 요구 사항을 충족합니다.III. 실험 검증

3 실험 검증

3.1 프로토타입 매개변수
핵심 기술과 설계 방안의 효과를 검증하기 위해, 저전압 DC 고체상태 회로 차단기의 프로토타입을 개발했습니다. 주요 매개변수는 다음과 같습니다:

3.2 형식 시험 결과

프로토타입에 대한 포괄적인 형식 시험을 수행하여 실제 응용 분야의 요구 사항을 충족하는지 평가했습니다:

(1) 단락 차단 시험
단락 고장은 전력 시스템에서 가장 심각한 고장 유형 중 하나이며, 그로 인한 거대한 순간 전류는 장비 작동에 큰 위협이 됩니다. 이 극단적인 조건을 시뮬레이션하기 위해 23 kA 단락 전류 시험 환경을 설정했습니다. 고체상태 회로 차단기에 엄격한 도전을 제시하였습니다. 시험 시작 시, 프로토타입은 신속하게 활성화되었고, 내장된 빠른 고장 감지 및 차단 기술이 작동하기 시작했습니다. 이 기술은 고정밀 전류 모니터링과 신속한 반응 메커니즘을 통해 매우 짧은 시간 내에 비정상적인 전류를 감지하고 즉시 차단 과정을 트리거했습니다.

차단 중에 시험 인원은 차단기의 성능을 면밀히 관찰하였으며, 전 과정에서 아크 재점화가 발생하지 않았습니다. 이 결과는 빠른 고장 감지 및 차단 기술의 높은 효율성을 입증하며, 고체상태 회로 차단기의 우수한 차단 성능을 강조합니다. 전통적인 회로 차단기에서는 아크 재점화가 피하기 어려운 문제가 자주 발생하여 2차 고장이나 심각한 장비 손상을 초래합니다. 반면, 고체상태 회로 차단기는 고급 차단 기술을 통해 이 문제를 성공적으로 피함으로써 전력 시스템의 안정적인 작동을 강력하게 지원합니다.

(2) 온도 상승 시험
열 성능은 고체상태 회로 차단기 평가의 또 다른 주요 요소입니다. 장기간 작동 중 장치의 열 방출 능력을 효과적으로 평가하기 위해 온도 상승 시험이 수행되었습니다. 프로토타입은 24시간 연속 작동이 요구되었으며, 이 과정에서 상당한 열이 발생했습니다 [9]. 시험 후, 온도 센서를 사용하여 프로토타입의 온도를 측정했습니다. 결과는 ΔT = 32 K의 온도 상승을 보였습니다. 이 데이터는 증발 냉각과 강제 공기 냉각을 결합한 하이브리드 냉각 솔루션의 효과를 확인합니다. 증발 냉각의 자연 열 방출 원리와 강제 공기 냉각의 강제 대류를 통합하여, 시스템은 작동 중 발생하는 열을 효율적으로 방출하여 장치가 수용 가능한 온도 범위 내에 있도록 합니다. 좋은 열 관리는 고체상태 회로 차단기의 안정적인 작동을 보장하며, 그 수명을 연장합니다.

(3) 수명 시험
수명은 고체상태 회로 차단기가 실제 전력 시스템에서 널리 적용될 수 있는지 결정하는 중요한 지표입니다. 따라서 수명 성능을 검증하기 위해, 프로토타입은 100만 번의 작동 주기 내구 시험을 수행했습니다. 시험 중, 인원은 프로토타입의 접촉 저항 변화를 면밀히 모니터링했습니다. 시험 후, 접촉 저항을 측정했으며, 5% 미만으로 변화한 것으로 확인되었습니다. 이 결과는 영구자석 격리 스위치의 장수 설계의 효과를 입증합니다. 장기간이고 빈번한 작동 후에도 스위치 접촉부는 우수한 도전성을 유지하여 고체상태 회로 차단기의 신뢰성 있는 ON/OFF 기능을 보장합니다.

4 결론
요약하면, 이 논문은 넓은 밴드갭 장치의 최적화, 지능형 제어 알고리즘, 그리고 고신뢰성 구조 설계를 포함한 주요 기술에 대한 깊은 연구를 바탕으로 저전압 DC 고체상태 회로 차단기의 기술적 솔루션을 제시합니다. 실험 검증 결과, 개발된 프로토타입은 차단 속도, 고장 감지 정확도, 운영 수명 등 주요 지표에서 선도적인 성능을 달성하였습니다.

이 프로토타입은 마이크로초 수준의 빠른 차단과 100만 번의 작동 수명을 성공적으로 실현하여 새로운 에너지 전력 배분 시스템의 보호를 위한 실용적이고 실행 가능한 솔루션을 제공합니다. 앞으로, 저전압 DC 고체상태 회로 차단기에 대한 많은 유망한 연구 방향이 있습니다. 예를 들어, 장치-패키징-시스템 수준의 통합 시뮬레이션 모델을 구축하면 고체상태 회로 차단기의 다양한 작동 조건에서의 성능을 더 포괄적으로 시뮬레이션할 수 있으며, 이를 통해 설계 최적화를 위한 더 정확한 이론적 지원을 제공할 수 있습니다.