Teknologi Utama Pemutus Litar DC Rendah Voltan Berkeadaan pepejal

1 Cabaran Teknikal

1.1 Kestabilan Peraralelanan Peranti
Dalam aplikasi praktikal, kapasiti muatan arus bagi peranti elektronik kuasa tunggal adalah relatif terhad. Untuk memenuhi keperluan arus yang tinggi, beberapa peranti sering dihubungkan secara selari. Walau bagaimanapun, variasi parameter antara peranti—seperti perbezaan kecil dalam rintangan pada dan voltan ambang—boleh menyebabkan pengagihan arus tidak sekata semasa operasi selari. Semasa transien beralih, induktansi parasit dan kapasitansi lebih lanjut menyebabkan kadar perubahan arus yang tidak konsisten di antara peranti selari, memburukkan ketidakseimbangan arus. Jika tidak ditangani dengan segera, ketidakseimbangan ini boleh menyebabkan sesetengah peranti menjadi panas berlebihan dan gagal kerana arus yang berlebihan, seterusnya mengurangkan jangka hayat pemutus litar pepejal.

1.2 Penangguhan Pengesanan Kerosakan
Dalam sistem DC, ciri-ciri arus kerosakan berbeza secara signifikan daripada sistem AC, tiada titik persilangan sifar yang membantu dalam pengesanan dan gangguan kerosakan. Ini memerlukan pemutus litar pepejal untuk menggunakan algoritma pengesanan kerosakan tahap mikrosaat untuk mengenal pasti kerosakan dengan tepat dan bertindak balas dengan cepat. Kaedah pengesanan tradisional mengalami penangguhan yang signifikan apabila menangani arus kerosakan DC yang berubah dengan cepat, menjadikannya tidak mampu memenuhi keperluan perlindungan pantas.

1.3 Pertentangan Antara Pembuangan Habak dan Isi Padu
Untuk memenuhi permintaan sistem kuasa moden terhadap ketumpatan kuasa yang tinggi, reka bentuk pemutus litar pepejal mesti mencapai penanganan kuasa yang lebih besar dalam ruang yang terhad. Walau bagaimanapun, ketumpatan kuasa yang lebih tinggi menyebabkan peningkatan tajam dalam habak yang dihasilkan oleh peranti elektronik kuasa. Pembuangan habak yang tidak mencukupi menyebabkan suhu berlebihan, merosakkan prestasi peranti dan mungkin memicu larian haba dan kegagalan peralatan. Teknik pendinginan konvensional berfungsi buruk dengan pemutus litar pepejal ketumpatan kuasa tinggi. Walaupun pendinginan cecair dapat meningkatkan kecekapan pembuangan habak, ia meningkatkan saiz dan kos peralatan. Oleh itu, bagaimana untuk menyeimbangkan pendinginan yang efisien dengan kawalan isi padu yang munasabah—mencapai pengoptimuman sinergi—tetap menjadi cabaran utama dalam reka bentuk pemutus litar pepejal.

2 Penyelidikan Teknologi Utama

2.1 Teknologi Aplikasi Peranti Lelangit Lebar
(1) Pilihan dan Pembungkusan SiC MOSFET
Di antara pelbagai peranti lelangit lebar, SiC MOSFET rendah kerugian hantar menawarkan kelebihan yang signifikan. Untuk meningkatkan prestasinya dalam aplikasi selari multi-peranti, susun atur DBC simetri diterapkan. Susun atur ini secara efektif mengurangkan induktansi parasit, yang penting untuk meningkatkan ciri-ciri beralih peranti. Semasa beralih, terutamanya pada mati, interaksi antara induktansi parasit dan kapasitansi peranti menyebabkan osilasi voltan gerbang. Ujian eksperimen menunjukkan bahawa dengan susun atur DBC simetri, osilasi voltan gerbang semasa mati boleh dikawal kepada kurang dari 5%. Ini bukan sahaja meningkatkan kestabilan dinamik semasa operasi selari tetapi juga mengurangkan risiko kerosakan peranti disebabkan oleh osilasi voltan.

(2) Kawalan Perkongsian Arus Dinamik
Untuk mengatasi cabaran ketidakseimbangan arus dalam peranti selari, strategi kawalan yang menggabungkan bas perkongsian arus dengan pengaturan PI adaptif diperkenalkan. Bas perkongsian arus, melalui reka bentuk struktur unik, memberikan laluan pengagihan arus yang seimbang bagi setiap cabang selari pada tahap fizikal. Berdasarkan asas ini, algoritma pengaturan PI adaptif mengubah-ubah isyarat pemanduan setiap peranti berdasarkan pemantauan masa nyata arus cabang, mencapai kawalan perkongsian arus yang lebih tepat.

2.2 Teknologi Pengesanan dan Gangguan Kerosakan Pantas
(1) Pengesanan Kerosakan Berdasarkan Voltan Gerbang
Analisis ciri kerosakan pendek SiC MOSFET menunjukkan bahawa semasa kerosakan pendek, voltan drain-source (VDS) meningkat dengan cepat ke 900V manakala voltan gerbang turun secara signifikan dengan cerun melebihi 10 V/ns. Dengan menggunakan ciri ini, komparator dua ambang direka untuk pengesanan kerosakan pantas, menetapkan dua ambang arus: Ith1 = 500 A dan Ith2 = 1.2 kA. Apabila arus yang dikesan melebihi Ith1, amaran awal dipicu; melebihi Ith2 menunjukkan kerosakan pendek yang disahkan. Rangkaian pengesanan dan algoritma pemprosesan isyarat yang direka mencapai penangguhan pengesanan hanya 0.8 μs. Pendekatan ini mengelakkan pertukaran isyarat dan pemprosesan yang rumit kaedah tradisional dengan menggunakan ciri elektrik intrinsik SiC MOSFET, meningkatkan ketepatan pengesanan kerosakan secara signifikan.

(2) Strategi Gangguan Optimized Multi-Objektif
Untuk mencapai gangguan kerosakan prestasi tinggi dalam pemutus litar pepejal, masa gangguan (Δt), penyerapan tenaga (EMOV), dan arus masuk (Ipeak) ditetapkan sebagai fungsi objektif, dioptimumkan menggunakan algoritma optimasi kawanan partikel multi-objektif (MOPSO). Masa gangguan yang lebih pendek memberikan perlindungan yang lebih baik untuk peralatan sistem; penyerapan tenaga mempengaruhi pilihan dan jangka hayat komponen perlindungan seperti MOV; arus masuk yang berlebihan menyebabkan tekanan elektrik yang signifikan, mempengaruhi operasi normal peralatan.

Melalui pelbagai iterasi optimasi MOPSO, parameter optimum ditentukan: induktor had arus LB = 15 μH dan pekali had voltan MOV γ = 1.8. Dengan menggunakan parameter yang dioptimumkan ini, masa gangguan dikurangkan kepada 73.5 μs, dan arus maksimum dibatasi kepada 526 A. Untuk mendemonstrasikan kesan optimasi secara visual, kaedah pengambilan keputusan TOPSIS membandingkan hasil sebelum dan selepas optimasi. Perbandingan menunjukkan peningkatan signifikan dalam petunjuk utama seperti masa gangguan, penyerapan tenaga, dan arus masuk, meningkatkan prestasi keseluruhan secara signifikan dan lebih memenuhi keperluan kejuruteraan praktikal untuk gangguan pantas dan boleh dipercayai oleh pemutus litar pepejal.

2.3 Reka Bentuk Struktur Mekanikal Berketulenan Tinggi
(1) Perali Pemisah Magnet Kekal
Untuk meningkatkan kebolehpercayaan dan kestabilan pemutus litar pepejal, perali pemisah magnet kekal yang menggunakan mekanisme magnet kekal bistable direka. Dalam struktur ini, daya pegangan untuk menutup dan membuka kebanyakannya disediakan oleh magnet kekal, dengan gegelung diaktifkan hanya untuk tempoh singkat semasa operasi beralih. Ini mengurangkan penggunaan kuasa kira-kira 90% berbanding perali pemisah elektromagnetik tradisional. Analisis simulasi dinamik Adams menunjukkan bahawa umur mekanikal perali pemisah magnet kekal ini melebihi 1 juta operasi, dengan kelajuan pemisahan kontak 3 m/s. Kelajuan pemisahan kontak yang tinggi memastikan putus litar yang pantas semasa kerosakan berlaku, mengurangkan kemungkinan generasi busur dan meningkatkan keupayaan gangguan perali. Umur mekanikal yang panjang memastikan prestasi stabil sepanjang penggunaan yang panjang, mengurangkan frekuensi penyelenggaraan dan penggantian, seterusnya menyediakan sokongan yang kuat untuk operasi efisien pemutus litar pepejal.

(2) Penyelesaian Pengurusan Habak
Untuk mengatasi cabaran pembuangan habak dalam reka bentuk ketumpatan kuasa tinggi, penyelesaian pendinginan hibrid yang menggabungkan pendinginan penguapan dengan pendinginan udara paksa dicadangkan. Pendinginan penguapan menggunakan prinsip penguapan cecair yang menyerap habak, membolehkan pemindahan habak yang efisien dalam ruang yang padat. Pendinginan udara paksa lebih lanjut meningkatkan pembuangan habak melalui konveksi paksa yang didorong kipas. Kaedah pendinginan hibrid ini menstabilkan suhu titik panas modul di bawah 75°C, dengan kadar peningkatan suhu kurang daripada 5°C/min, memenuhi keperluan piawai.III. Pengesahan Eksperimen

3 Pengesahan Eksperimen

3.1 Parameter Prototaip
Untuk mengesahkan keberkesanan teknologi utama dan skema reka bentuk, prototaip pemutus litar pepejal DC rendah voltan telah dibangunkan, dengan parameter utama seperti berikut:

3.2 Keputusan Ujian Jenis

Ujian jenis komprehensif telah dijalankan pada prototaip untuk menilai sama ada prestasinya memenuhi keperluan aplikasi praktikal:

(1) Ujian Gangguan Pendek Sambungan
Kerosakan pendek adalah salah satu jenis kerosakan paling serius dalam sistem kuasa, dan arus seketika yang besar yang dihasilkannya merupakan ancaman signifikan terhadap operasi peralatan. Untuk mensimulasikan keadaan ekstrem ini, persekitaran ujian arus pendek 23 kA telah ditubuhkan—menjadi cabaran yang ketat bagi pemutus litar pepejal. Pada permulaan ujian, prototaip dengan pantas diaktifkan, dan teknologi pengesanan dan gangguan kerosakan pantas yang terbina mulai berfungsi. Teknologi ini, melalui pemantauan arus berketepatan tinggi dan mekanisme respons pantas, mengesan arus abnormal dalam masa yang sangat singkat dan segera memicu proses gangguan.

Semasa gangguan, kakitangan ujian meninjau prestasi pemutus dengan teliti, dan tiada renyuhan busur berlaku sepanjang proses. Hasil ini bukan sahaja menunjukkan keberkesanan tinggi teknologi pengesanan dan gangguan kerosakan pantas tetapi juga menonjolkan prestasi gangguan yang superior pemutus litar pepejal. Dalam pemutus litar tradisional, renyuhan busur adalah isu yang sukar dielakkan yang sering menyebabkan kerosakan sekunder atau bahkan kerosakan peralatan yang serius. Sebaliknya, pemutus litar pepejal berjaya mengelakkan masalah ini melalui teknik gangguan canggih, seterusnya menyediakan sokongan yang kuat untuk operasi stabil sistem kuasa.

(2) Ujian Peningkatan Suhu
Prestasi termal adalah faktor lain yang penting dalam menilai pemutus litar pepejal. Untuk menilai keberkesanan kemampuan pembuangan habak peranti semasa operasi yang panjang, ujian peningkatan suhu telah dijalankan. Prototaip diminta untuk beroperasi secara berterusan selama 24 jam, di mana habak yang signifikan dihasilkan [9]. Selepas ujian, sensor suhu digunakan untuk mengukur suhu prototaip. Hasil menunjukkan peningkatan suhu ΔT = 32 K. Data ini mengesahkan keberkesanan penyelesaian pendinginan hibrid yang menggabungkan pendinginan penguapan dan pendinginan udara paksa. Dengan mengintegrasikan prinsip pembuangan habak semula jadi pendinginan penguapan dengan konveksi paksa pendinginan udara paksa, sistem dengan efisien membuang habak yang dihasilkan semasa operasi, memastikan peranti kekal dalam julat suhu yang boleh diterima. Pengurusan termal yang baik bukan sahaja memastikan operasi stabil pemutus litar pepejal tetapi juga memanjangkan jangka hidupnya.

(3) Ujian Jangka Hidup
Jangka hidup adalah petunjuk kritikal untuk menentukan sama ada pemutus litar pepejal boleh digunakan secara meluas dalam sistem kuasa sebenar. Oleh itu, untuk mengesahkan prestasi jangka hidupnya, prototaip menjalani ujian ketahanan sejuta siklus operasi. Sepanjang ujian, kakitangan meninjau perubahan rintangan kontak prototaip dengan teliti. Selepas ujian, rintangan kontak diukur dan didapati berubah kurang daripada 5%. Hasil ini mengesahkan keberkesanan reka bentuk jangka hidup panjang perali pemisah magnet kekal. Walaupun selepas operasi yang panjang dan kerap, kontak perali kekal mempunyai kekonduksian yang cemerlang, memastikan fungsionaliti hidup/matikan yang boleh dipercayai pemutus litar pepejal.

4 Kesimpulan
Secara ringkas, makalah ini mempersembahkan penyelesaian teknikal untuk pemutus litar pepejal DC rendah voltan berdasarkan penyelidikan mendalam ke dalam teknologi utama, termasuk pengoptimuman peranti lelangit lebar, algoritma kawalan pintar, dan reka bentuk struktur berketulenan tinggi. Pengesahan eksperimen menunjukkan bahawa prototaip yang dibangunkan mencapai prestasi terkini dalam petunjuk utama seperti kelajuan gangguan, ketepatan pengesanan kerosakan, dan jangka hidup operasi.

Ia berjaya merealisasikan gangguan pantas tahap mikrosaat dan jangka hidup sejuta siklus, menyediakan penyelesaian praktikal dan boleh dilaksanakan untuk perlindungan dalam sistem pengagihan kuasa tenaga baru. Merancang ke depan, terdapat banyak arah penyelidikan yang menjanjikan untuk pemutus litar pepejal DC rendah voltan. Sebagai contoh, penubuhan model simulasi integrasi tahap peranti-pembungkusan-sistem boleh mensimulasikan prestasi pemutus litar pepejal secara lebih komprehensif di bawah pelbagai keadaan operasi, seterusnya menyediakan sokongan teori yang lebih tepat untuk pengoptimuman reka bentuk.