Клучни технологии на нисковолтни DC тврдотелни прекинувачи
1 Технички предизвици
1.1 Стабилност на паралелна работа на уредите
В практични применби, капацитетот за носење на стрuja од еден елемент на силно електронски уред е релативно ограничен. За да се задоволат потребите за големи строји, често се поврзуваат неколку уреди во паралела. Меѓутоа, варијациите на параметрите помеѓу уредите - како што се лесни разлики во ом-резистивност и прагова напонска разлика - можат да причинат нееднакво распределение на стрuja при паралелна работа. Во моментите на превклучување, паразитната индуктивност и капацитивност ја зголемуваат несогласуваноста во брзината на промена на стрuja меѓу паралелните уреди, што подобрува дисбалансот. Ако тоа не се реши своевремено, овој дисбаланс може да изазва прекомерен нагрев и повреда на одредени уреди поради прекомерна стрuja, со што се намалува временското траење на тврдотелниот циркуит брејкер.
1.2 Закашнена детекција на грешки
Во DC системите, карактеристиките на грешките на стрuja се значително различни од AC системите, без нулти пресечни точки кои помагаат во детекцијата и прекинувањето на грешките. Ова бара тврдотелни циркуит брејкери да користат алгоритми за детекција на грешки на микросекундно ниво за точна идентификација на грешките и брзо реагирање. Традиционалните методи за детекција на грешки имаат значителни закашненија кога се справуваат со брзо менливи DC грешки на стрuja, што ги прави неспособни да задоволат потребите за брза заштита.
1.3 Контрадикција меѓу отстранувањето на топлина и волумен
За да се задоволат современите потреби за висока густина на моќ во системите, дизајнот на тврдотелни циркуит брејкери мора да постигне поголема моќ во ограничено пространство. Меѓутоа, повишена густина на моќ доведува до резката зголемена генерација на топлина од елементите на силно електроника. Недовољно отстранување на топлината доведува до прекомерни температури, што ја деформира работата на уредите и потенцијално ги активира термалните побегувања и повредата на опремата. Конвенционалните техники за хладење се слабо исполнети со високогустински тврдотелни прекинувачи. Иако хладењето со течност може да подобри ефикасноста на отстранувањето на топлина, тоа го зголемува големината и цената на опремата. Затоа, како да се постигне баланс меѓу ефикасното хладење и разумно контролиран волумен - постигнувајќи синергетско оптимизирање - останува главен предизвик во дизајнот на тврдотелни циркуит брејкери.
2 Клучни истражувања на технологии
2.1 Примена на технологии на широкозондусни уреди
(1) Избор и обвиење на SiC MOSFET
Среди различните широкозондусни уреди, SiC MOSFET-овите со ниски губитоци од проводливост даваат значителни предности. За да се подобри нивната перформанса во многобройни паралелни применби, се користи симетричен DBC (Direct Bonded Copper) дизајн. Овој дизајн ефективно го намалува паразитната индуктивност, што е критично за подобрување на карактеристиките на превклучување на уредите. Во моментите на превклучување, особено при исклучување, интеракцијата помеѓу паразитната индуктивност и капацитивноста на уредот предизвикува осцилација на напонот на вратата. Експерименталните тестови покажуваат дека со симетричен DBC дизајн, осцилацијата на напонот на вратата при исклучување може да се контролира под 5%. Ова не само подобрува динамичката стабилност при паралелна работа, туку и го намалува ризикот од повреда на уредите поради осцилацијата на напонот.
(2) Динамичко управување со дележба на стрuja
За да се справи со предизвикот на нееднакво распределение на стрuja во паралелните уреди, се воведува стратегија за управување која комбинира шина за дележба на стрuja со адаптивна PI регулација. Шината за дележба на стрuja, преку уникален структурен дизајн, физички обезбедува равномерен пат за распределба на стрuja за секој паралелен гран. На оваа основа, адаптивниот PI регулатор алгоритам динамички ги приспособува сигналите за привод на секој уред според реално време следење на стројите на граните, постигнувајќи по прецизно управување со дележба на стрuja.
2.2 Брза детекција и прекинување на грешки
(1) Детекција на грешки базирана на напонот на вратата
Анализата на карактеристиките на краткосрочни грешки на SiC MOSFET покажува дека при краткосрочна грешка, напонот на дрен-извор (VDS) брзо се зголемува до 900 В, додека напонот на вратата значително опаѓа со наклон над 10 В/нс. Користејќи ги овие карактеристики, се дизајнира двоен-преграден компаратор за брза детекција на грешки, поставувајќи две прегради за стрuja: Ith1 = 500 A и Ith2 = 1.2 kA. Кога детектираната стрuja надмине Ith1, се активира претходно опомена; надминувањето на Ith2 указува на потврдена краткосрочна грешка. Дизајнираниот детектор на грешки и алгоритам за обработка на сигнали постигнува закашненије во детекцијата само од 0.8 μs. Овој пристап избегнува комплексната конверзија и обработка на сигнали на традиционалните методи, користејќи внатрешните електрични карактеристики на SiC MOSFET, значително подобрувајќи точноста на детекцијата на грешки.
(2) Многуцелова оптимизирана стратегија за прекинување
За да се постигне високоперформансно прекинување на грешки во тврдотелни циркуит брејкери, временското прекинување (Δt), абсорбцијата на енергија (EMOV) и пикот на стрuja (Ipeak) се поставени како цел функции, оптимизирани со користење на многуцелов алгоритам на оптимизација со рое на честички (MOPSO). Крајното прекинување временски дава подобра заштита на системската опрема; абсорбцијата на енергија влијае на изборот и временското траење на заштитни компоненти како MOV-ови; прекомерен пик на стрuja предизвикува значителен електричен стрес, влијајќи на нормалната работа на опремата.
Навистина, преку многу итерации на MOPSO оптимизација, се определуваат оптимални параметри: ограничување на индукторот LB = 15 μH и коефициентот за ограничување на напонот на MOV-от γ = 1.8. Со користење на овие оптимизирани параметри, временското прекинување се намалува на 73.5 μs, а максималната стрuja е ограничена на 526 A. За да се визуелно демонстрира ефектот на оптимизацијата, методот на TOPSIS за донесување на решение ги споредува резултатите пред и по оптимизацијата. Споредбата покажува значителни подобрувања на клучните индикатори како што се временското прекинување, абсорбцијата на енергија и пикот на стрuja, значително подобрувајќи го целосниот перформанс и подобро задоволувајќи ги практичните инженерски барања за брзо и сигурно прекинување од страна на тврдотелни циркуит брејкери.
2.3 Дизајн на механичка структура со висока надежност
(1) Прекинувач со постоян магнет
За да се подобри надежноста и стабилноста на тврдотелните циркуит брејкери, се дизајнира прекинувач со постоян магнет кој користи механизам со бистабилен постоян магнет. Во оваа структура, силата за задржување за затварање и отварање веќе е доставена од постояните магнети, со обмотка активирана само мигновно во моментите на превклучување. Ова го намалува потрошуването на енергија за околу 90% во споредба со традиционалните електромагнетни прекинувачи. Анализа на динамичкиот Adams покажува дека механичкиот живот на овој прекинувач со постоян магнет надминува 1 милион операции, со брзина на одделување на контактите од 3 м/с. Високата брзина на одделување на контактите осигурува брзо прекинување на колата при настанување на грешка, намалувајќи веројатноста за генерирање на дуга и подобрувајќи го капацитетот за прекинување на прекинувачот. Долготрајниот механички живот осигурува стабилна работа во долга употреба, намалувајќи честотата на одржба и замена, со што се дава силен поддршка за ефикасната работа на тврдотелниот циркуит брејкер.
(2) Решение за управување со топлината
За да се справи со предизвикот на отстранување на топлината во дизајните со висока густина на моќ, се предлажа хибридно решенија за хладење којо комбинира испарување со принудено воздухување. Хладењето со испарување користи принципот на испарување на течноста за апсорбирање на топлина, овозможувајќи ефикасна трансфер на топлина во компактни простори. Принуденото воздухување дополнително го подобрува отстранувањето на топлината преку принудена конвекција со вентилатор. Овој хибриден метод за хладење стабилизира топлината на горещите точки на модулот под 75°C, со стапка на зголемување на температурата под 5°C/мин, задоволствувајќи стандардните барања.III. Експериментална верификација
3 Експериментална верификација
3.1 Параметри на прототипот
За да се верификуваат ефективноста на клучните технологии и дизајнските шеми, се разработува прототип на тврдотелен циркуит брејкер за нисконапонска DC, со главни параметри како што следува:
3.2 Резултати од типски тестови
Комплексни типски тестови се изведени на прототипот за да се евалуира дали неговата перформанса задоволува барањата за практична примена:
(1) Тест на прекинување на краткосрочна грешка
Краткосрочните грешки се едни од најсериозните видови на грешки во енергетските системи, а огромната моментална стрuja што ги генерираат претставува значителна претница за работа на опремата. За да се симулира ова екстремно состојба, се создава тестна средина со краткосрочна грешка на 23 kA - што претставува строг предизвик за тврдотелниот циркуит брејкер. На почетокот на тестот, прототипот брзо се активира, и неговата вградена технологија за брза детекција и прекинување на грешки започнува да функционира. Оваа технологија, преку високо прецизно следење на стрuja и брз механизам за одговор, детектира аномалната стрuja во многу кратко време и немедлено го активира процесот на прекинување.
Тоаа време на прекинување, тестните луѓе блиску следат перформансата на прекинувачот, и нема повторно загоревање на дуга во целосниот процес. Овој резултат не само што демонстрира високата ефикасност на технологијата за брза детекција и прекинување на грешки, туку и подчертава високата перформанса на прекинување на тврдотелниот циркуит брејкер. Во традиционалните прекинувачи, повторното загоревање на дуга е проблем кој е тешко да се избегне и често води до вторични грешки или дорде до сериозна повреда на опремата. Спротивно, тврдотелниот циркуит брејкер успешно го избегнува овој проблем преку напредни техники за прекинување, со што дава силна поддршка за стабилната работа на енергетските системи.
(2) Тест на зголемување на температурата
Термалната перформанса е друг клучен фактор за евалуација на тврдотелните циркуит брејкери. За да се ефикасно евалуира капацитетот за отстранување на топлината на уредот во продолжена работа, се изведува тест на зголемување на температурата. Прототипот треба да работи непрекинато за 24 часа, токму тогаш кога се генерира значителна топлина [9]. По тестот, се користат температурски сензори за мерење на температурата на прототипот. Резултатите покажуваат зголемување на температурата ΔT = 32 K. Овој податок потврдува ефективноста на хибридното решенија за хладење којо комбинира испарување со принудено воздухување. Со интеграција на природните принципи за отстранување на топлината со испарување и принудената конвекција со воздухување, системот ефикасно ги отстранува топлините генерираани во текот на работата, осигурувајќи дека уредот останува во прифатлив дијапазон на температура. Добро управување со топлината не само што осигурува стабилна работа на тврдотелниот циркуит брејкер, туку и го проширува неговиот временски траење.
(3) Тест на временско траење
Временското траење е критичен показател за одредување дали тврдотелниот циркуит брејкер може широко да се примени во реалните енергетски системи. Затоа, за да се верификува неговата перформанса во временско траење, прототипот минува преку тест на издржливост од еден милион операции. Тоаа време, луѓето блиску следат промените во контактната резистивност на прототипот. По тестот, контактната резистивност се мери и се установува дека се менува за помалку од 5%. Овој резултат потврдува ефективноста на дизајнот со долг временски траење на прекинувачот со постоян магнет. Дури и по долг и честа работа, контактите на прекинувачот продолжуваат да имаат одлична проводливост, осигурувајќи надежна функционалност на вклучување и исклучување на тврдотелниот циркуит брејкер.
4 Заклучок
Заклучувајќи, овој труд презентира техничко решение за тврдотелни циркуит брејкери за нисконапонска DC, базирано на длабоко истражување на клучните технологии, вклучувајќи оптимизација на широкозондусни уреди, интелигентни контролни алгоритми и дизајн со висока надежност. Експерименталната верификација покажува дека разработениот прототип постигнува водечки перформанси во клучни показатели како што се брзината на прекинување, точноста на детекција на грешки и временското траење на работа.
Успешно се реализира брзо прекинување на микросекундно ниво и временско траење од еден милион операции, што дава практично и може да се применува решение за заштита во системи за дистрибуција на нова енергија. Гледајќи напред, има многу обетаващи насоки за истражување за тврдотелни циркуит брејкери за нисконапонска DC. На пример, формирањето на интегриран симулационен модел на ниво уред-обвиење-систем би могло да даде по комплетна симулација на перформансата на тврдотелните циркуит брејкери под различни услови на работа, што би дало по точна теоретска поддршка за оптимизација на дизајнот.
