Zemasspiešanas DC stiprās šķīrnes galvenās tehnoloģijas

1 Tehniskas izaicinājumi

1.1 Ierīču paralēlas savienojuma stabilitāte
Praktiskajā lietojumā vienas enerģētikas elektronikas ierīces strāvas nesamērība ir salīdzinoši ierobežota. Lai apmierinātu augstās strāvas prasības, bieži tiek savienotas vairākas ierīces paralēli. Tomēr ierīču parametru atšķirības, piemēram, mazas atšķirības slēgšanas upitres un slodzes sprieguma attiecībā, var izraisīt nevienmērīgu strāvas sadalījumu paralēlā darbībā. Slēgšanas pārejas laikā parasitārie induktors un kapacitātors vēl vairāk rada neatbilstību strāvas maiņas ātrumā starp paralēlajām ierīcēm, pasliktinot strāvas nelīdzsvarotību. Ja šī nelīdzsvarotība netiek laicīgi atrisināta, tā var izraisīt noteiktām ierīcēm pārsiltumu un bojājumu dēļ pārāk lielas strāvas, samazinot staļaktīta cirkultbrekeres izmantošanas ilgumu.

1.2 Kļūdas uztveršanas kavēšanās
DC sistēmās kļūdu strāvas raksturojumi atšķiras no AC sistēmām, trūkstot nulles punktiem, kas palīdz kļūdu uztveršanā un pārtraukšanā. Tas prasa, lai staļaktītais cirkultbrekers izmantotu mikrosekundju līmeņa kļūdu uztveršanas algoritmus, lai precīzi identificētu kļūdas un ātri reaģētu. Parastie kļūdu uztveršanas metodes piedzīvo nozīmīgas kavēšanās, saskaroties ar strauji mainīgām DC kļūdu strāvām, padarot tos neizdevīgus straujas aizsardzības prasībām.

1.3 Sasilšanas un tilpuma pretruna
Lai apmierinātu moderno enerģijas sistēmu prasības par augstu jaudas blīvumu, staļaktīto cirkultbrekeru dizains jāveido, lai sasniedztu lielāku jaudas apjomu ierobežotā telpā. Tomēr augsts jaudas blīvums radīs strauju pieaugumu enerģētikas elektronikas ierīču radītajai siltumam. Nepietiekama siltuma izdalīšana izraisa pārmērīgas temperatūras, pasliktinot ierīču veiktspēju un potenciāli aktivizējot termisko pārklāšanos un iekārtu bojājumu. Parastās dzesēšanas tehnoloģijas nedarbota labi ar augsta jaudas blīvuma staļaktītajiem cirkultbrekeriem. Ūdensdzesēšana var uzlabot siltuma izdalīšanas efektivitāti, bet tā palielina iekārtas izmēru un izmaksas. Tādējādi, kā saskaņot efektīvu dzesēšanu ar saprātīgu tilpuma kontroli, sasniedzot sinergētisku optimizāciju, joprojām ir galvenais izaicinājums staļaktīto cirkultbrekeru dizainā.

2 Galvenās tehnoloģijas pētījumi

2.1 Platā bantnes ierīču lietošanas tehnoloģija
(1) SiC MOSFET izvēle un iepakojums
Dažādām platā bantnes ierīcēm, zemas vadības zudumu SiC MOSFET nodrošina ievērojamus priekšrocības. Lai uzlabotu to veiktspēju daudzu ierīču paralēlajos lietojumos, tiek izmantots simetriskais Direct Bonded Copper (DBC) izkārtojums. Šis izkārtojums efektīvi samazina parasitāro indukciju, kas ir kritiska, lai uzlabotu ierīču slēgšanas raksturlielus. Slēgšanas laikā, it īpaši izslēgšanas laikā, parasitārās indukcijas un ierīču kapacitānces interakcija izraisa vārtu sprieguma svārstības. Eksperimentālie testi parāda, ka ar simetrisku DBC izkārtojumu vārtu sprieguma svārstības izslēgšanas laikā var kontrolēt zemāk par 5%. Tas ne tikai uzlabo dinamisko stabilitāti paralēlā darbībā, bet arī samazina ierīču bojājumu risku, ko izraisa sprieguma svārstības.

(2) Dinamiskas strāvas sadalīšanas kontrole
Lai risinātu strāvas nelīdzsvarotības izaicinājumu paralēlajās ierīcēs, tiek ieviesta kontroles stratēģija, kas kombinē strāvas sadalīšanas autobusu ar adaptīvo PI regulāciju. Strāvas sadalīšanas autobuss, caur unikālu struktūras dizainu, nodrošina līdzsvarotu strāvas sadalīšanas ceļu katram paralēlam šūnam fiziskā līmenī. Šīs pamatā adaptīvais PI regulācijas algoritms dinamiski pielāgo katras ierīces vadības signālus, balstoties uz reāllaika šūnu strāvas monitoringu, sasniedzot precīzāku strāvas sadalīšanas kontrolēšanu.

2.2 Ātra kļūdu uztveršana un pārtraukšana
(1) Vārta sprieguma balstīta kļūdu uztveršana
SiC MOSFET īslaides raksturlielus analizējot, konstatēts, ka īslaides laikā draudziena-vadītāja spriegums (VDS) strauji pieauga līdz 900V, savukārt vārta spriegums ievērojami samazinās ar slīpumu, kas pārsniedz 10 V/ns. Izmantojot šo raksturu, tiek izstrādāts divu slodziņu salīdzinātājs, lai ātri uztvertu kļūdas, iestatot divas strāvas slodzes: Ith1 = 500 A un Ith2 = 1.2 kA. Kad uztvertā strāva pārsniedz Ith1, tiek izraisīts pirms brīdinājums; pārsniedzot Ith2, tas norāda apstiprinātu īslaides kļūdu. Izstrādātais uztveršanas shēma un signālu apstrādes algoritms sasniedz tikai 0.8 μs uztveršanas kavēšanos. Šis pieejas novērš sarežģīto signālu pārveidošanu un apstrādi, izmantojot SiC MOSFET inheherentus elektrosaraksturlielus, būtiski uzlabojot kļūdu uztveršanas precizitāti.

(2) Daudzobjektīva optimizēta pārtraukšanas stratēģija
Lai sasniegtu augsto veiktspēju staļaktītajā cirkultbrekerē, pārtraukšanas laiks (Δt), enerģijas absorbēšana (EMOV) un impulsuveselu strāva (Ipeak) tiek iestatītas kā mērķfunkcijas, optimizētas, izmantojot daudzobjektīvo dzelzputnu optimizācijas (MOPSO) algoritmu. Īssāks pārtraukšanas laiks nodrošina labāku aizsardzību sistēmas aprīkojumam; enerģijas absorbēšana ietekmē aizsargkomponentu, piemēram, MOV, izvēli un izmantošanas ilgumu; pārāk liela impulsuveselu strāva izraisa nozīmīgu elektrisku stresu, ietekmējot normālo aprīkojuma darbību.

Dažādos MOPSO optimizācijas gājienos tiek noteiktas optimālas parametri: strāvas ierobežojošs induktors LB = 15 μH un MOV sprieguma ierobežojošs koeficients γ = 1.8. Izmantojot šos optimizētos parametrus, pārtraukšanas laiks tiek samazināts līdz 73.5 μs, un maksimālā strāva tiek ierobežota līdz 526 A. Lai vizuāli demonstrētu optimizācijas efektu, TOPSIS lēmumu pieņemšanas metode salīdzina rezultātus pirms un pēc optimizācijas. Salīdzinājums parāda nozīmīgu uzlabojumu galvenajos rādītājos, piemēram, pārtraukšanas laikā, enerģijas absorbēšanā un impulsuveselu strāvā, būtiski uzlabojot kopējo veiktspēju un labāk atbilstot praktiskajām inženierzinātnēm par ātru un uzticamu pārtraukšanu staļaktītajā cirkultbrekerē.

2.3 Augstas drošības mehāniskais struktūras dizains
(1) Pastāvīgā magnēta izolators
Lai uzlabotu staļaktīto cirkultbrekeru drošību un stabilitāti, ir izstrādāts pastāvīgā magnēta izolators, izmantojot divstāvokļa pastāvīgā magnēta mehānismu. Šajā struktūrā slēgšanas un atvēršanas nepārtrauktais spēks galvenokārt tiek nodrošināts ar pastāvīgajiem magnētiem, kur katoda tiek uzlādēta tikai īsu laiku slēgšanas operācijās. Tas samazina enerģijas patēriņu aptuveni 90% salīdzinājumā ar tradicionālajiem elektromagnētiskajiem izolatoriem. Adams dinamiskā simulācijas analīze parāda, ka šī pastāvīgā magnēta izolatora mehāniskais dzīveslaiks pārsniedz 1 miljonu operācijas, ar kontaktu atdalīšanas ātrumu 3 m/s. Augsts kontaktu atdalīšanas ātrums nodrošina ātru šķirošanu notikuma gadījumā, samazinot loku rašanās iespēju un uzlabojot izolatora pārtraukšanas spēju. Ilgs mehāniskais dzīveslaiks nodrošina stabilu veiktspēju ilgā laikā, samazinot uzturēšanas un aizvietošanas biežumu, tādējādi nodrošinot stipru atbalstu staļaktītā cirkultbrekerā efektīvai darbībai.

(2) Siltuma pārvaldības risinājums
Lai risinātu siltuma izdalīšanas izaicinājumus augstā jaudas blīvumā, tiek ierosināts hibrīda dzesēšanas risinājums, kas apvieno šķidruma evaporation ar piespiedu gaisa dzesēšanu. Šķidruma evaporation izmanto šķidruma evaporation siltuma absorbcijas principu, ļaujot efektīvai siltuma pārnešanai kompakto telpās. Piespiedu gaisa dzesēšana papildus uzlabo siltuma izdalīšanu, izmantojot ventilatoru piespiedu konvekciju. Šis hibrīda dzesēšanas paņēmiens stabilizē moduļa karstuma punktu temperatūru zem 75°C, ar temperatūras pieauguma ātrumu mazāk par 5°C/min, atbilstot standarta prasībām.III. Eksperimentālais apstiprinājums

3 Eksperimentālais apstiprinājums

3.1 Prototipa parametri
Lai apstiprinātu galveno tehnoloģiju un dizaina plānu efektivitāti, tika izstrādāts zema sprieguma DC staļaktīta cirkultbrekera prototips, ar galvenajiem parametriem tālāk:

3.2 Tips testa rezultāti

Par prototipu tika veikti visaptveroši tips testi, lai novērtētu, vai tā veiktspēja atbilst praktiskā lietojuma prasībām:

(1) Īslaides pārtraukšanas tests
Īslaides kļūdas ir vienas no smagākajām kļūdu veidām enerģijas sistēmās, un tās radītā lielā momentānā strāva rada nozīmīgu draudu aprīkojuma darbībai. Lai simulētu šo ekstrēmālo situāciju, tika izveidots 23 kA īslaides strāvas testa vide — radot stingru izaicinājumu staļaktītam cirkultbrekerim. Testa sākumā prototips strauji aktīvojās, un tā iebūvētā ātra kļūdu uztveršana un pārtraukšanas tehnoloģija sāka darboties. Šī tehnoloģija, izmantojot augstas precizitātes strāvas monitoringu un ātru atbildes mehānismu, iztverēja anomalās strāvas ļoti īsā laikā un tūlīt izraisīja pārtraukšanas procesu.

Pārtraukšanas laikā testa personāls uzmanīgi novēroja brekeru veiktspēju, un visā procesā nebija loku atdzimšanas. Šis rezultāts ne tikai demonstrē augsto efektivitāti ātras kļūdu uztveršanas un pārtraukšanas tehnoloģijā, bet arī izcel staļaktītā cirkultbrekera izcilās pārtraukšanas veiktspējas. Tradicionālos cirkultbrekeros loku atdzimšana ir grūti izvairāmas problēma, kas bieži izraisa sekundāras kļūdas vai pat smagas aprīkojuma bojājumu. Savukārt staļaktītais cirkultbrekers veiksmīgi izvairās no šīs problēmas, izmantojot pašpietiekamu pārtraukšanas tehnoloģiju, nodrošinot stipru atbalstu enerģijas sistēmu stabillai darbībai.

(2) Temperatūras pieauguma tests
Siltuma veiktspēja ir otrais galvenais faktors staļaktīto cirkultbrekeru novērtēšanā. Lai efektīvi novērtētu ierīces siltuma izdalīšanas spēju ilgtermiņā, tika veikts temperatūras pieauguma tests. Prototips tika prasīts strādāt nepārtraukti 24 stundas, laikā radot nozīmīgu siltumu [9]. Pēc testa, temperatūras sensori tika izmantoti, lai mērītu prototipa temperatūru. Rezultāti parādīja temperatūras pieaugumu ΔT = 32 K. Šie dati apstiprina hibrīda dzesēšanas risinājuma efektivitāti, kas apvieno šķidruma evaporation ar piespiedu gaisa dzesēšanu. Integrujot dabisko siltuma izdalīšanas principu šķidruma evaporation ar piespiedu konvekciju, sistēma efektīvi izdzēsa radīto siltumu, nodrošinot, ka ierīce paliek pie pieņemamas temperatūras. Laba siltuma pārvaldība ne tikai nodrošina staļaktītā cirkultbrekera stabila darbību, bet arī paildzina tā izmantošanas ilgumu.

(3) Dzīveslaika tests
Dzīveslaiks ir kritisks rādītājs, lai noteiktu, vai staļaktītais cirkultbrekers var plaši tikt izmantots reālajās enerģijas sistēmās. Tādēļ, lai apstiprinātu tā ilguma veiktspēju, prototips tika pārbaudīts pēc miljona darbības ciklu. Testa laikā personāls uzmanīgi sekoja prototipa kontaktu rezistences izmaiņām. Pēc testa, kontaktu rezistence tika mērita un konstatēta, ka tā ir mainījusies mazāk par 5%. Šis rezultāts apstiprina pastāvīgā magnēta izolatora ilga termiņa dizaina efektivitāti. Pat pēc ilga un bieža izmantojuma, izolatora kontakti saglabā labu vedamību, nodrošinot uzticamu staļaktītā cirkultbrekera darbību.

4 Secinājumi
Kopsakarā šajā rakstā tiek sniegts tehniskais risinājums zema sprieguma DC staļaktītiem, balstoties uz galveno tehnoloģiju dziļā pētījuma, tostarp platā bantnes ierīču optimizāciju, inteliģentu kontroles algoritmu un augstas drošības struktūras dizainu. Eksperimentālais apstiprinājums parāda, ka izstrādātais prototips sasniedz izcilu veiktspēju galvenajos rādītājos, piemēram, pārtraukšanas ātrumā, kļūdu uztveršanas precizitātē un darbības ilgumā.

Tas veiksmīgi realizē mikrosekundu līmeņa ātru pārtraukšanu un miljonu ciklu darbības ilgumu, nodrošinot praktisku un iespējamo risinājumu aizsardzībai jauno enerģijas pārdevēju sistēmās. Skatoties uz nākotni, ir daudz solīdžu pētījumu virzieni zema sprieguma DC staļaktīto cirkultbrekeru ziņā. Piemēram, ierīces, iepakojuma un sistēmas līmeņa integrēta modelēšana varētu visaptverošāk simulēt staļaktīto cirkultbrekeru veiktspēju dažādās darbības apstākļos, nodrošinot precīzāku teorētisko atbalstu dizaina optimizācijai.