Teknoloġiji Ġodda ta' Kotrobbrakjaturi DC Solid-State ta' Bażixa Voltaġġ

1 Tisjel Kullunjar

1.1 Stabbiltà tal Paralleling ta' Dispożitivi
Fil-applikazzjonijiet prattika, il-kapaċità ta' port tax-xurrent ta' dispożitiv ewlettroniku tal-enerġija wahda hija relatavament limitata. Biex isoddisfa l-ħtieġijiet għal xurrenti elevati, sovent se jikkonektaw dispożitivi ħafna fil-paralleling. Imma, varjazzjonijiet f'determinati parametri bejn id-dispożitivi - bħal differenzi żgħiri fl-on-resistance u ft-tens għat-tixtri - jistgħu jiġu sors ta' distribuzzjoni mhux ugwal tal-xurrent waqt it-tixtri fil-paralleling. Waqt it-tixtri transjent, l-induttanza parassita u l-kapacità ikkużaw aktar ħsara, biex jkunu tasso diversi ta' varjazzjoni tal-xurrent bejn id-dispożitivi fil-paralleling, li jwaqfu l-imballanċ tal-xurrent. Jekk ma jiġix affrontat skondu, dan l-imballanċ jista’ jiġi sors ta' skadenza u falliment ta' dispożitivi partikulari minħabba l-għada kbar tal-xurrent, bl-aħħar jidħaqq l-ħajja tal-breaker solid-state.

1.2 Dilaġ fil-Dettazzjoni tal-Falt
Fis-sistemi DC, il-karatteristiċi tal-falt current differu bħalissa mis-sistemi AC, bla punti ta' zero-crossing li jagħmlu s-servizz biex jgħinu fid-dettazzjoni u fil-interruzjoni tal-falt. Din tħtieġ li l-breakers solid-state jippermettu algoritmi ta' dettazzjoni ta' falt fuq livell ta' microsecondi biex jidentifikaw il-falts b'mod preċiż u jirrispondu rapidament. Il-metodi tradizzjonali tad-dettazzjoni ta' falts jaffrontaw dilaġ signifikanti meta jgħandhom qabelhom xurrenti ta' falt DC li jbidlu rapidament, li jaqsmu l-ħtieġijiet ta' protezzjoni veloċi.

1.3 Kontraddizzjoni Bejn Dissipazzjoni tal-Ħalijiet u Volum
Biex isoddisfa l-ħtieġijiet tas-sistemi moderni tal-enerġija għal densità ta' potenza kbar, id-design tal-breakers solid-state għandhom jwieġbu għal potenza akbar fi spazju limitat. Imma, id-densità ta' potenza akbar tiġi mhaqqija mill-increment fit-thermal generat mid-dispożitivi ewlettroniku tal-enerġija. Id-dissipazzjoni tal-ħalijiet inadegwata tiftaħ l-ħalijiet eċċessivi, li jidħaqgħu l-prestazziuni tad-dispożitiv u jistgħu jidħaqq l-runaway termiku u l-falliment tal-apparat. It-tekniki tradizzjonali tad-dissipazzjoni tal-ħalijiet jgħixu mal-performanti meta japplikaw lejn breakers solid-state ta' densità ta' potenza kbar. Waqt illi t-tiqsija tal-ħalijiet tista' tigħmel li t-dissipazzjoni tkun aktar effiċienti, din tinfetaħ l-aktar fis-saġġ ta' apparaġġ u l-kost. Għalhekk, kif nivvanta l-dissipazzjoni effiċjenti fl-iskontroll ta' volum ragjuni, li jirriżulta f'ottimizzazzjoni sinergiża, jibqa' sfida kruċjali fil-design tal-breakers solid-state.

2 Riċerka Teknoloġika Kritika

2.1 Teknoloġija tal-Aplikazzjoni ta' Dispożitivi ta' Bandgap Largh
(1) Selezzjoni u Packaging ta' SiC MOSFET
Minn madwar id-dispożitivi ta' bandgap largh, il-SiC MOSFET ta' low-conduction-loss offra avantaggi sostanzjali. Biex tommel il-prestazzjoni tagħhom fid-doppjatura multi-dispożitiv, adopraw layout simmetriċi ta' Direct Bonded Copper (DBC). Dan il-layout jiġi infettivament imxiegħu l-induttanza parassita, li huwa kruċjali biex jommel il-karatteristiċi ta' tixtri tad-dispożitiv. Waqt it-tixtri, speċjalment waqt it-tixtri off, l-interazzjoni bejn l-induttanza parassita u l-capacità tad-dispożitiv tiġi sors ta' oskulazzjoni tal-volt tal-gate. Eżperimenti juri ka l-oskulazzjoni tal-volt tal-gate waqt it-tixtri off tista' tikun kontrolata sa tuful ta' 5% meħtieġ layout simmetriċi ta' DBC. Dan ma jommel l-stabbiltà dinamika waqt it-tixtri fil-paralleling, imma wkoll jiżżmien ir-riskju ta' skadenza tad-dispożitiv minħabba l-oskulazzjoni tal-volt.

(2) Kontroll Dinamiku ta' Sharing tal-Xurrent
Biex nivvanta l-isfida ta' imballanċ mhux ugwal tal-xurrent fid-dispożitivi fil-paralleling, introdotta strategija ta' kontroll li tikkombina bus ta' sharing tal-xurrent mal-regolazzjoni PI adaptattiva. Il-bus ta' sharing tal-xurrent, permezz ta' design struttural uniku, jipprovdi path ta' distribuzzjoni tal-xurrent ugwal għal kull branċ tal-paralleling fis-silġ fiziku. Fuq dan il-bażis, l-algoritmu ta' regolazzjoni PI adaptattiva jiġi dinamikament modifikat is-sinyali tal-drive ta' kull dispożitiv permezz ta' monitoraġġ real-time tal-xurrent fil-branċ, biex jieħdu l-kontroll ta' sharing tal-xurrent aktar preċiż.

2.2 Teknoloġija ta' Dettazzjoni u Interruzjoni Veloci ta' Falts
(1) Dettazzjoni tal-Falt Bazata fuq Volt tal-Gate
L-analiżi tal-karatteristiċi ta' short-circuit tal-SiC MOSFET turi li waqt falt ta' short-circuit, it-tens drain-source (VDS) jsilġ rapidament sal-900V mentri volt tal-gate jsilġ b'mod significanti b'tas ta' inclinazzjoni superiur ta' 10 V/ns. Permezz ta' din il-karatteristika, idevvolta komparator ta' dual-threshold għad-detazzjoni veloċi, settja żewġ limmits ta' xurrent: Ith1 = 500 A u Ith2 = 1.2 kA. Meta l-xurrent dettat ikkompla Ith1, jittgħal warning preliminari; ikkompla Ith2 indika falt ta' short-circuit konfermat. Il-kitba ta' dettazzjoni u l-algoritmu ta' elaborazzjoni tas-sinyali jiġbuhu dilaġ ta' dettazzjoni ta' bilank 0.8 μs. Dan il-mod bypassa l-konverżjoni u l-elaborazzjoni tas-sinyali komplikati tal-metodi tradizzjonali, permezz ta' l-użu tal-karatteristiċi elektrika inherent tal-SiC MOSFET, jiżżmien l-akkurazzjoni tad-dettazzjoni tal-falt.

(2) Strategija ta' Interruzjoni Ottimizzata Multi-Obbjetiv
Biex nieħdu prestazzjoni ta' interruzjoni tal-falt alta fil-breakers solid-state, it-tiempi ta' interruzjoni (Δt), l-assorbment tal-enerġija (EMOV), u l-xurrent peak (Ipeak) jiġu settjati bħala funzjonijiet obbjetiv, ottimizzati permezz ta' algoritmu ta' particle swarm optimization (MOPSO) multi-obbjetiv. Tiempi ta' interruzjoni iqsar jippresti protezzjoni aħjar għal apparatu tal-sistema; l-assorbment tal-enerġija jimpatta l-għażla u l-ħajja tal-komponenti protettivi bħal MOVs; l-xurrent peak eċċessiv jiffornixxi stress elektriku kbar, li jimpatta l-operazzjoni normali tal-apparatu. Permezz ta' iterazzjonijiet multi ta' ottimizzazzjoni MOPSO, determinati parametri ottimali: l-induttanza ta' limit tal-xurrent LB = 15 μH u l-koeffiċjent ta' limit tal-volt tal-MOV γ = 1.8. Pereżempju, permezz ta' dawn il-parametri ottimali, it-temps ta' interruzjoni jiġi diminwit sa 73.5 μs, u l-xurrent massimu jiġi limitat sa 526 A. Biex jillustra l-effektiv tat-ottimizzazzjoni, il-metodu ta' deċizjoni TOPSIS jikkoġħo r-risultati qabel u wara l-ottimizzazzjoni. Il-comparazzjoni turi impruvamenti signifikanti f'indikaturi kruċjali bħal it-temps ta' interruzjoni, l-assorbment tal-enerġija, u l-xurrent peak, li jemmell il-prestazzjoni ollija u jipprovdili soluzzjoni prattika u fehema għal interruzjoni veloċi u fideli fil-breakers solid-state.

2.3 Design Struttural ta' Alta Affidabilità
(1) Switch Isolator ta' Magnet Permanenti
Biex nieħdu l-affidabilità u stabbiltà tal-breakers solid-state, idevvolta switch isolator ta' magnet permanenti li tippemplika mekanismu bistabil ta' magnet permanenti. F'din is-struttura, il-forza ta' sustenzjoni għal closing u opening jiġi fornita prinċipalment minn magnets permanenti, kun il-coil jikkunsentiwa momentanament biss waqt operazzjonijiet ta' switching. Dan jiġi diminuit l-konsum tal-enerġija ta' bilank 90% inkella għal switches isolator tradizzjonali elettromagnetici. L-analiżi dinamika Adams turi li l-ħajja mekanika ta' din is-switch isolator ta' magnet permanenti supera l-1 miljun operazzjonijiet, kun l-veloċità ta' separazzjoni ta' kontatti ta' 3 m/s. L-veloċità ta' separazzjoni ta' kontatti kbar taħdem biex jgarantixxi disconnessioni rapidi tas-sirkwit waqt li jikseb falt, jiżżmien l-probabbiltà ta' arki u jemmell l-kapaċità ta' interruzjoni tas-switch. L-ħajja mekanika twila tgarantixxi stabilità ta' prestazzjoni għal użu estensiv, tinfiha l-frekwenza ta' manutenzjoni u reġistrazzjoni, li jipprovdili support forti għal l-operazzjoni efficienti tal-breaker solid-state.

(2) Soluzzjoni ta' Gestjoni Termika
Biex nivvanta l-isfida ta' dissipazzjoni tal-ħalijiet fid-design ta' densità ta' potenza kbar, proposta soluzzjoni ta' raffreddament ibrida li tikkombina raffreddament evaporationi u raffreddament forzat tal-aria. Ir-rafreddament evaporationi jippemplika l-prinċipju ta' evaporazzjoni tal-likwid li jassorb l-ħalijiet, li jippermetti l-transfer effiċjenti tal-ħalijiet fi spazji kompakti. Ir-rafreddament forzat tal-aria jemmell l-dissipazzjoni tal-ħalijiet permezz ta' konvezzjoni forzata drivjata mill-fan. Dan il-metodu ta' raffreddament ibrida jstabiliżza l-temperatura ta' hotspot tal-modulu ta' inqas minn 75°C, kun rat ta' increment ta' temperatura ta' inqas minn 5°C/min, li jisoddisfa l-istandardi.III. Verifikazzjoni Eksperimentali

3 Verifikazzjoni Eksperimentali

3.1 Parametri ta' Prototip
Biex nieħdu l-effiċjenza ta' teknoloġiji u skemi ta' design kritika, idevvolta prototip ta' breaker solid-state DC ta' bassa voltagġ, kun l-parametri prinċipali segwi:

3.2 Risultati ta' Test Tip

Test tip komprensivi ġew esegwiti fuq il-prototip biex evalwaw jekk l-prestazzjoni tiegħu tisoddisfa l-ħtieġijiet għal applikazzjonijiet prattika:

(1) Test ta' Interruzjoni ta' Short-Circuit
I-falts ta' short-circuit huma waħd minn l-ebda tip ta' falt serju fis-sistemi tal-enerġija, u l-kbar xurrent istantaneu li jikkrejaw jiġu sors ta' minaċċju kbar għal l-operazzjoni tal-apparatu. Biex issimu din is-situazzjoni ekstrem, test ambient ta' 23 kA ta' xurrent ta' short-circuit ġie stabilit, li jipprovdili sfida rigorażza lil-breaker solid-state. Fl-awwel tal-test, il-prototip attivaw rapidament, u teknoloġija ta' dettazzjoni u interruzjoni ta' falt veloċi interna ġiet avviata. Din it-teknoloġija, permezz ta' monitoraġġ tal-xurrent ta' alto-prezision u mekanismu ta' risposta rapid, dettet l-xurrent anormali f'waqt qasir u attivaw subitament il-proċess ta' interruzjoni.

Waqt l-interruzjoni, l-personnel tal-test osservaw daqs ħafna l-prestazzjoni tal-breaker, u l-ark re-ignition ma ġie verifikat ebda darba fl-istess proċess. Dan ir-rijultat ma juri l-effiċjenza ta' teknoloġija ta' dettazzjoni u interruzjoni ta' falt veloċi, imma wkoll jemmell l-prestazzjoni ta' interruzjoni superjuri tal-breaker solid-state. Fil-breakers tradizzjonali, l-ark re-ignition huwa problema diffiċli li jevita, li sovent jilgħaq għal falts sekondarji jew skadenza severa tal-apparatu. Inkella, il-breaker solid-state rreġa' ssolu din il-problema permezz ta' tekniki ta' interruzjoni avvanzati, li jipprovdili support forti għal l-operazzjoni stabili tas-sistemi tal-enerġija.

(2) Test ta' Increment ta' Temperatura
Il-prestazzjoni termika hija waħda kruċjali l-oħra għal evalwazzjoni tal-breakers solid-state. Biex nevalwaw l-kapaċità ta' dissipazzjoni tal-ħalijiet tal-apparatu waqt l-operazzjoni prolungata, esegwit test ta' increment ta' temperatura. Il-prototip kien meħtieġ li joperazzjona kontinwament għal 24 sieġa, waqt li ħalijiet kbar ġew prodotti [9]. Wara l-test, senzori ta' temperatura ġew użati biex jimmislu l-temperatura tal-prototip. Ir-rijultati wru l-increment ta' temperatura ΔT = 32 K. Dan id-data tkonferma l-effiċjenza tas-soluzzjoni ta' raffreddament ibrida li tikkombina raffreddament evaporationi u raffreddament forzat tal-aria. Pereżempju, permezz ta' l-integrazzjoni ta' l-prinċipju naturali ta' dissipazzjoni tal-ħalijiet ta' l-evaporationi mal-konvezzjoni forzata tal-aria, is-sistema tid-dispenja l-ħalijiet prodotti waqt l-operazzjoni b'effiċjenza, għalihom l-apparatu jirriman f'range ta' temperatura accettabbli. L-gestjoni termika tajba ma jemmell l-operazzjoni stabil tal-breaker solid-state, imma wkoll jallunġa l-ħajja tiegħu.

(3) Test ta' Ħajja
Il-ħajja hija indikatur kruċjali għal determina jekk breaker solid-state tista' tiġi applikata amminument fis-sistemi tal-enerġija reali. Għalhekk, biex nieħdu l-prestazzjoni ta' l-ħajja, il-prototip passa test ta' enduranza ta' miljun cikli operazzjonali. Waqt l-test, l-personnel osservaw daqs ħafna l-bidliet fil-resistenza ta' kontatti tal-prototip. Wara l-test, l-resistenza ta' kontatti kien misjur u ritrovat li bidel b'inqas minn 5%. Dan ir-rijultat jkonferma l-effiċjenza tal-design ta' long-life tal-switch isolator ta' magnet permanenti. Nawfas wara l-operazzjonijiet prolungati u frequenti, il-kontatti tas-switch jiġu manteni b'konduċtività eccellenti, jgarantixxi l-funżjonalità ta' switċċjar on/off fideli tal-breaker solid-state.

4 Klussjoni
Fl-ahħar, din id-dokument prezentaw soluzzjoni teknika għal breakers solid-state DC ta' bassa voltagġ permezz ta' studju approfondat ta' teknoloġiji kritika, inkluż l-ottimizzazzjoni ta' dispożitivi ta' bandgap largh, l-algoritmi ta' kontroll intelligenti, u l-design struttural ta' alta affidabilità. Il-verifikazzjoni eksperimentali turi li l-prototip idevvolut jirriċievi prestazzjoni lideri f'indikaturi kruċjali bħal vluċità ta' interruzjoni, l-akkurazzjoni tad-dettazzjoni ta' falt, u l-ħajja ta' operazzjoni.

Huwa reaġixxi b'success mikrosecondi ta' interruzjoni veloċi u miljun cikli ta' operazzjoni ta' ħajja, jipprovdili soluzzjoni prattika u fehema għal protezzjoni fis-sistemi ta' distribuzzjoni tal-enerġija nuovi. Nafu l-avvenir, hemm direzzjonijiet promettenti ta' riċerka għal breakers solid-state DC ta' bassa voltagġ. Pereżempju, l-istabliment ta' model simulazzjoni integrata ta' livell ta' dispożitiv-packaging-sistema tista' tisimula l-prestazzjoni tal-breakers solid-state b'mod komprensiv wisq f'situazzjonijiet diversi ta' operazzjoni, li jipprovdili support teoriku aktar preċiż għal l-ottimizzazzjoni ta' design.