निम्न वोल्टेज डीसी ठोस अवस्थाको सर्किट ब्रेकरका मुख्य प्रौद्योगिकीहरू

१ तकनीकी चुनौतिहरू

१.१ डिभाइस समान्तरीकरणको स्थिरता
व्यावहारिक अनुप्रयोगमा एकल शक्ति इलेक्ट्रोनिक डिभाइसको विद्युत धारा ले गर्ने क्षमता अपेक्षाकृत सीमित छ। उच्च धारा आवश्यकताको पूरा गर्नका लागि अनेक डिभाइसहरू अक्सर समान्तरीकरण गरिन्छन्। तर, डिभाइसहरूबीच विशेषताहरू—जस्तै ऑन-रेजिस्टेन्स र थ्रेसहोल्ड वोल्टेजमा थोडा फरक—समान्तरीकरणको दौरान धारा वितरणमा असमानता उत्पन्न गर्न सक्छ। स्विचिङ ट्रान्झिएन्टको दौरान, परासिटिक इन्डक्टन्स र क्षमता अझ अधिक असमान धारा परिवर्तन दर उत्पन्न गर्छ, जसले धारा असंतुलन बढाउँछ। यदि यो असंतुलन समयमै नियन्त्रण गरिन भएको छ भने, यो धारा अत्यधिक हुने कारण एकाधिक डिभाइसहरू अत्यधिक गर्मी र असफलता उत्पन्न गर्छ, जसले सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरको सेवा आयुको कमी गर्छ।

१.२ दोष निर्णय देराला
DC प्रणालीमा, दोष धारा विशेषताहरू AC प्रणालीबाट अलग छन्, जसमा दोष निर्णय र बिच्छेदको मदद गर्ने जीरो-क्रॉसिङ बिन्दुहरू छैन। यसले सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरलाई माइक्रोसेकेन्ड-स्तरको दोष निर्णय एल्गोरिथम व्यवहार गर्न आवश्यक छ जसले दोषलाई सही र तीव्र रूपमा निर्णय गर्न सक्छ। परम्परागत दोष निर्णय विधिहरू तीव्र रूपमा परिवर्तित हुने DC दोष धारामा देराला खर्च गर्छन्, जसले तीव्र सुरक्षा आवश्यकताको पूरा गर्न सक्दैन।

१.३ गर्मी निस्कासी र आकारको विरोधाभास
आधुनिक शक्ति प्रणालीको उच्च शक्ति घनत्वको आवश्यकताको पूरा गर्न, सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर डिझाइनहरूले सीमित अवकाशमा अधिक शक्ति संचालन गर्नुपर्छ। तर, उच्च शक्ति घनत्वले इलेक्ट्रोनिक डिभाइसहरू द्वारा उत्पन्न गरिने गर्मीमा तीव्र वृद्धि ल्याउँछ। अपर्याप्त गर्मी निस्कासी अत्यधिक तापमान उत्पन्न गर्छ, जसले डिभाइसको प्रदर्शन घटाउँछ र थर्मल रनअवे र उपकरण असफलता उत्पन्न गर्छ। परम्परागत ठण्डाउने तकनीकहरू उच्च-शक्ति-घनत्वका सोलिड-स्टेट ब्रेकरहरूमा खराब प्रदर्शन गर्छन्। तर तरल ठण्डाउने गर्मी निस्कासीको दक्षता बढाउँछ, तर यसले उपकरणको आकार र लागत बढाउँछ। यसैले, दक्ष ठण्डाउने र उचित आकार नियन्त्रण बीच तुलनात्मक अनुकूलन—सहकारी अनुकूलन—सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर डिझाइनमा एक महत्त्वपूर्ण चुनौती रहेको छ।

२ मुख्य तकनीकी अनुसन्धान

२.१ वाइड-बैंडगैप डिभाइस अनुप्रयोग तकनीक
(१) SiC MOSFET चयन र पैकेजिङ
विभिन्न वाइड-बैंडगैप डिभाइसहरूमध्ये, कम चालन निस्कासी SiC MOSFETहरू अधिक फाइदा दिन्छन्। बहु-डिभाइस समान्तरीकरण अनुप्रयोगमा उनीहरूको प्रदर्शन बढाउनका लागि, सममितिक Direct Bonded Copper (DBC) लेआउट व्यवहार गरिन्छ। यो लेआउट परासिटिक इन्डक्टन्स घटाउनमा प्रभावी छ, जुन डिभाइसको स्विचिङ विशेषतालाई सुधार गर्न महत्त्वपूर्ण छ। स्विचिङ दौरान, विशेष गरी टर्न-ऑफ दौरान, परासिटिक इन्डक्टन्स र डिभाइसको क्षमता बीचको बाटो गेट वोल्टेजमा दोलन उत्पन्न गर्छ। प्रयोगशाला परीक्षणहरू दिखाउँछन् कि सममितिक DBC लेआउट व्यवहार गर्दा, टर्न-ऑफ दौरान गेट वोल्टेजको दोलन ५% भन्दा कम नियन्त्रण गरिन सकिन्छ। यो न केवल समान्तरीकरण दौरान डाइनामिक स्थिरता बढाउँछ, तर वोल्टेज दोलन द्वारा डिभाइसको क्षति रिस्क पनि घटाउँछ।

(२) डाइनामिक धारा भागीने नियन्त्रण
समान्तरीकरण डिभाइसहरूमा धारा असंतुलनको चुनौतीलाई समाधान गर्न, एक विशिष्ट संरचनाको धारा-भागीने बस र अनुकूलन गर्ने PI नियन्त्रण विधि जोडिएको नियन्त्रण रणनीति अपनाइन्छ। धारा-भागीने बस, भौतिक स्तरमा प्रत्येक समान्तरी शाखालाई सन्तुलित धारा वितरण मार्ग प्रदान गर्छ। यस आधारमा, अनुकूलन गर्ने PI नियन्त्रण एल्गोरिथम वास्तविक समयमा शाखा धाराको निगरानी गर्दै प्रत्येक डिभाइसको ड्राइव सिग्नलहरू डाइनामिक रूपमा समायोजन गर्छ, जसले अधिक निकै धारा भागीने नियन्त्रण प्रदान गर्छ।

२.२ तीव्र दोष निर्णय र बिच्छेद तकनीक
(१) गेट वोल्टेज आधारित दोष निर्णय
SiC MOSFETको शॉर्ट-सर्किट विशेषताको विश्लेषणले दिखाउँछ कि शॉर्ट-सर्किट दोष दौरान, ड्रेन-सोर्स वोल्टेज (VDS) तीव्र रूपमा ९०० V लाई पुग्छ र गेट वोल्टेज १० V/ns भन्दा बढी ढाल देखि घट्छ। यो विशेषतालाई लागू गर्दै, तीव्र दोष निर्णयका लागि दुई थ्रेसहोल्ड तुलनाकार डिझाइन गरिएको छ, जसमा दुई धारा थ्रेसहोल्डहरू: Ith1 = ५०० A र Ith2 = १.२ kA राखिएको छ। जब निर्णय गरिएको धारा Ith1 भन्दा बढी हुन्छ भने, प्रारंभिक चेतावनी लगाइन्छ; Ith2 भन्दा बढी हुन्छ भने, शॉर्ट-सर्किट दोष पुष्टि गरिन्छ। डिझाइन गरिएको निर्णय चालक र सिग्नल प्रक्रिया एल्गोरिथमले ०.८ μs देराला निर्णय गर्न सकिन्छ। यो दृष्टिकोण परम्परागत विधिहरूको जटिल सिग्नल रूपान्तरण र प्रक्रियालाई बाहिर गर्दै SiC MOSFETको आंतरिक विद्युत विशेषतालाई उपयोग गर्दै, दोष निर्णय योग्यतालाई तीव्र रूपमा सुधार गर्छ।

(२) बहु-उद्देश्य अनुकूलित बिच्छेद रणनीति
सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरमा उच्च-प्रदर्शनको दोष बिच्छेद प्राप्त गर्न, बिच्छेद समय (Δt), ऊर्जा अवशोषण (EMOV), र आगमन धारा (Ipeak) लाई उद्देश्य फलनहरूको रूपमा निर्धारण गरिएको छ, जसलाई बहु-उद्देश्यीय पार्टिकल स्वर्म अनुकूलन (MOPSO) एल्गोरिथम द्वारा अनुकूलन गरिन्छ। छोटो बिच्छेद समय सिस्टेम उपकरणहरूको लागि बेहतर सुरक्षा प्रदान गर्छ; ऊर्जा अवशोषण MOV जस्ता सुरक्षा उपकरणहरूको चयन र आयुमा प्रभाव राख्छ; अत्यधिक आगमन धारा बढी विद्युत तनाव उत्पन्न गर्छ, जसले नैमित्तिक उपकरण सञ्चालनमा प्रभाव राख्छ।

MOPSO अनुकूलनको बहुल चरणहरूद्वारा, अनुकूलित पैरामिटरहरू निर्धारण गरिएको छ: धारा-सीमितकरण इन्डक्टर LB = १५ μH र MOV वोल्टेज-सीमितकरण गुणाङ्क γ = १.८। यी अनुकूलित पैरामिटरहरूको प्रयोग गर्दा, बिच्छेद समय ७३.५ μs मा घटाइन्छ र अधिकतम धारा ५२६ A मा सीमित गरिन्छ। यस अनुकूलनको प्रभावलाई दृश्य रूपमा दिखाउन, TOPSIS निर्णय गर्ने विधिले अनुकूलन भएपछि र अनुकूलन भएपूर्वक नतिजाहरूको तुलना गर्छ। तुलना दिखाउँछ कि बिच्छेद समय, ऊर्जा अवशोषण, र आगमन धाराजस्तो गर्जित निर्देशिकाहरूमा तीव्र सुधार भइरहेको छ, जसले समग्र प्रदर्शनलाई बढाउँछ र व्यावहारिक अभियान्त्रिक आवश्यकताहरूको लागि तीव्र र विश्वसनीय बिच्छेद गर्न सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरलाई बलियो समर्थन प्रदान गर्छ।

२.३ उच्च-विश्वसनीय यान्त्रिक संरचना डिझाइन
(१) स्थायी चुम्बकीय अलगाव स्विच
सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरको विश्वसनीयता र स्थिरता बढाउन, एक द्विस्थितिक स्थायी चुम्बकीय तन्त्र व्यवहार गरिएको स्थायी चुम्बकीय अलगाव स्विच डिझाइन गरिएको छ। यस संरचनामा, बन्द र खुल्ने लागि धारण शक्ति मुख्यतया स्थायी चुम्बकहरू द्वारा प्रदान गरिन्छ, जहाँ कोइल शून्यको दौरान केवल लघु अवधिको लागि ऊर्जायित हुन्छ। यो परम्परागत विद्युत चुम्बकीय अलगाव स्विचहरूभन्दा लगभग ९०% शक्ति उपभोग घटाउँछ। Adams डाइनामिक सिमुलेशन विश्लेषण दिखाउँछ कि यस स्थायी चुम्बकीय अलगाव स्विचको यान्त्रिक आयु १ मिलियन चक्रहरू भन्दा बढी छ, जहाँ संपर्क विच्छेदन गति ३ m/s छ। उच्च संपर्क विच्छेदन गति दोष घटनाको दौरान तीव्र सर्किट विच्छेदन गर्न सुनिश्चित गर्छ, जसले आर्क उत्पन्न हुने संभावना घटाउँछ र स्विचको बिच्छेद क्षमता बढाउँछ। लामो यान्त्रिक आयु दीर्घकालिक उपयोगमा स्थिर प्रदर्शन सुनिश्चित गर्छ, र रखरखाउ र बदल्नको आवृत्ति घटाउँछ, जसले सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरको दक्ष सञ्चालनका लागि मजबूत समर्थन प्रदान गर्छ।

(२) ठण्डाउने समाधान
उच्च-शक्ति-घनत्वको डिझाइनमा गर्मी निस्कासीको चुनौतीलाई समाधान गर्न, वाष्पीकरण ठण्डाउने र बलियो हवा ठण्डाउने जोडिएको एक संयुक्त ठण्डाउने विधि प्रस्तावित गरिएको छ। वाष्पीकरण ठण्डाउने तरल वाष्पीकरण द्वारा गर्मी अवशोषणको सिद्धान्त उपयोग गर्दै छोटो अवकाशमा दक्ष ठण्डाउने गर्न सक्छ। बलियो हवा ठण्डाउने फान-द्वारा बलियो अनिवार्य गतिमान द्वारा ठण्डाउने अधिक बढाउँछ। यस संयुक्त ठण्डाउने विधिले माड्युलको गर्मीको जगह ७५°C भन्दा निच्छ, जहाँ तापमान वृद्धि दर ५°C/मिनट भन्दा कम छ, जसले मानक आवश्यकताहरू पूरा गर्छ।III. प्रयोगशाला प्रमाणिकरण

३ प्रयोगशाला प्रमाणिकरण

३.१ प्रोटोटाइप पैरामिटरहरू
मुख्य तकनीकहरू र डिझाइन योजनाहरूको प्रभावकारिता प्रमाणित गर्न, एक निम्न वोल्टेज DC सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरको प्रोटोटाइप विकसित गरिएको छ, जसको मुख्य पैरामिटरहरू निम्न छन्:

३.२ प्रकारको परीक्षण नतिजाहरू

प्रोटोटाइपमा व्यापक प्रकारको परीक्षणहरू गरिएको थिए जसले यसको प्रदर्शन व्यावहारिक अनुप्रयोगका लागि आवश्यकताहरू पूरा गर्दछन् भने कि नहुन् यो जाँच गरिएको थियो:

(१) शॉर्ट-सर्किट बिच्छेद परीक्षण
शॉर्ट-सर्किट दोषहरू शक्ति प्रणालीमा सबैभन्दा गम्भीर दोष प्रकारहरूको एक छ, जसले उत्पन्न गर्ने अत्यधिक तात्कालिक धारा उपकरण सञ्चालनको लागि ठूलो धमकी दिन्छ। यस चरम स्थितिलाई सिमुलेट गर्न, २३ kA शॉर्ट-सर्किट धारा परीक्षण वातावरण स्थापित गरिएको थियो—सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरको लागि एक ठूलो चुनौती प्रस्तुत गर्छ। परीक्षणको शुरुआतमा, प्रोटोटाइप तीव्र रूपमा सक्रिय हुँदै र त्यसको अन्तर्निहित तीव्र दोष निर्णय र बिच्छेद