Kern technologieën van laagspannings-DC vaste toestands schakelaars

1 Technische Uitdagingen

1.1 Stabiliteit van apparatuur in parallelle schakeling
In praktische toepassingen is de stroomdraagcapaciteit van een enkel elektronisch component relatief beperkt. Om aan hoge stroomvereisten te voldoen, worden vaak meerdere apparaten parallel verbonden. Echter, variaties in de parameters tussen apparaten, zoals kleine verschillen in de weerstand bij inschakeling en drempelspanning, kunnen leiden tot ongelijke stroomverdeling tijdens parallelle bedrijfsvoering. Tijdens schakelovergangen zorgen parasitaire inductiviteit en capaciteit voor ongelijke stroomveranderingssnelheden tussen de parallelle apparaten, wat de stroomonevenwichtigheid verergert. Als deze onevenwichtigheid niet snel wordt aangepakt, kan dit ertoe leiden dat bepaalde apparaten oververhit raken en door overmatige stroom uitvallen, waardoor de levensduur van de vaste-staats circuitbreker wordt verminderd.

1.2 Vertraging bij storingdetectie
In DC-systemen verschillen de kenmerken van storingstroom significant van AC-systemen, met name doordat er geen nulpunten zijn die helpen bij storingdetectie en -onderbreking. Dit vereist dat vaste-staats circuitbrekers microseconde-niveau storingdetectie-algoritmen gebruiken om storingen nauwkeurig te identificeren en snel te reageren. Traditionele methoden voor storingdetectie hebben aanzienlijke vertragingen bij het omgaan met snel veranderende DC-storingstromen, waardoor ze niet voldoen aan de eisen van snelle bescherming.

1.3 Contradictie tussen warmteafvoer en volume
Om te voldoen aan de vraag van moderne energievoorzieningsystemen naar hoge vermogendichtheid, moeten ontwerpen van vaste-staats circuitbrekers grotere vermogens binnen beperkte ruimte verwerken. Echter, hogere vermogendichtheid leidt tot een scherpe toename van de warmte die door elektronische apparaten wordt geproduceerd. Onvoldoende warmteafvoer veroorzaakt te hoge temperaturen, wat de prestaties van apparaten degradeert en potentieel thermische instabiliteit en apparatuuruitval kan veroorzaken. Conventionele koeltechnieken presteren slecht bij hoog-energie-dichtheid vaste-staats circuitbrekers. Hoewel vloeistofkoeling de warmteafvoerefficiëntie kan verbeteren, vergroot dit de grootte en kosten van de apparatuur. Het vinden van een balans tussen efficiënte koeling en redelijke volumeregeling, en het bereiken van synergetische optimalisatie, blijft een belangrijke uitdaging in het ontwerp van vaste-staats circuitbrekers.

2 Kern technologie onderzoek

2.1 Toepassingstechnologie van breedbandgap-apparaten
(1) Selectie en verpakking van SiC MOSFETs
Van de verschillende breedbandgap-apparaten bieden SiC MOSFETs met lage geleidingsverliezen aanzienlijke voordelen. Om hun prestaties in multi-apparaat parallelle toepassingen te verbeteren, wordt een symmetrische Direct Bonded Copper (DBC)-indeling toegepast. Deze indeling vermindert effectief parasitaire inductiviteit, wat cruciaal is voor het verbeteren van de schakelkarakteristieken van de apparaten. Tijdens schakeling, vooral bij uitschakelen, veroorzaken de interactie tussen parasitaire inductiviteit en apparaatcapaciteit trillingen in de poortspanning. Experimentele tests laten zien dat met een symmetrische DBC-indeling de trillingen in de poortspanning bij uitschakelen tot minder dan 5% beheersbaar zijn. Dit verbetert niet alleen de dynamische stabiliteit tijdens parallelle bedrijfsvoering, maar vermindert ook het risico op apparaadschade door spanningsoscillatie.

(2) Dynamische stroomverdeling controle
Om de uitdaging van stroomonevenwichtigheid in parallelle apparaten aan te pakken, wordt een controlestrategie ingevoerd die een stroomverdelingsbus combineert met adaptieve PI-regeling. De stroomverdelingsbus biedt, door middel van een uniek structuurontwerp, een evenwichtige stroomverdelingsroute voor elke parallelle tak op fysiek niveau. Op basis hiervan past een adaptief PI-regelalgoritme de aandrijfsignalen van elk apparaat dynamisch aan op basis van real-time monitoring van de takstromen, waardoor een meer precieze stroomverdelingscontrole wordt bereikt.

2.2 Snelle storingdetectie en -onderbrekingstechnologie
(1) Storingdetectie gebaseerd op poortspanning
Analyse van de kortsluitkarakteristieken van SiC MOSFETs toont aan dat bij een kortsluitstoring de drenksource-spanning (VDS) snel oploopt tot 900 V terwijl de poortspanning aanzienlijk daalt met een helling van meer dan 10 V/ns. Door gebruik te maken van dit kenmerk wordt een dubbele drempelvergelijker ontworpen voor snelle storingdetectie, met twee stroomdrempels: Ith1 = 500 A en Ith2 = 1,2 kA. Wanneer de gedetecteerde stroom Ith1 overschrijdt, wordt een voorlopige waarschuwing getriggerd; overschrijding van Ith2 geeft aan dat er sprake is van een bevestigde kortsluitstoring. Het ontworpen detectiecircuit en signaalverwerkingsalgoritme bereiken een detectievertraging van slechts 0,8 μs. Deze benadering omzeilt de complexe signaalconversie en -verwerking van traditionele methoden door gebruik te maken van de inherente elektrische kenmerken van de SiC MOSFET, waardoor de nauwkeurigheid van storingdetectie aanzienlijk wordt verbeterd.

(2) Multi-doel optimale onderbrekingsstrategie
Om hoge prestaties in storingonderbreking van vaste-staats circuitbrekers te bereiken, worden onderbrekingstijd (Δt), energieabsorptie (EMOV) en piekstroom (Ipeak) als doelfuncties ingesteld, geoptimaliseerd met behulp van een multi-doel partikelswarmoptimalisatie (MOPSO) algoritme. Een kortere onderbrekingstijd biedt betere bescherming voor systeemapparatuur; energieabsorptie beïnvloedt de keuze en levensduur van beschermende componenten zoals MOV's; te hoge piekstroom veroorzaakt aanzienlijke elektrische spanning, wat de normale werking van apparatuur beïnvloedt.

Na meerdere iteraties van MOPSO-optimalisatie worden de optimale parameters bepaald: stroombeperkende spoel LB = 15 μH en MOV-spanningsbeperkingscoëfficiënt γ = 1,8. Met behulp van deze geoptimaliseerde parameters wordt de onderbrekingstijd teruggebracht tot 73,5 μs, en de maximale stroom beperkt tot 526 A. Om de optimalisatie-effecten visueel te demonstreren, wordt de TOPSIS-beslissingsmethode gebruikt om de resultaten voor en na de optimalisatie te vergelijken. De vergelijking toont aanzienlijke verbeteringen in belangrijke indicatoren zoals onderbrekingstijd, energieabsorptie en piekstroom, wat de algemene prestaties aanzienlijk verhoogt en beter voldoet aan de praktische ingenieursvereisten voor snelle en betrouwbare onderbreking door vaste-staats circuitbrekers.

2.3 Ontwerp van mechanische constructie met hoge betrouwbaarheid
(1) Permanente magneet isolator schakelaar
Om de betrouwbaarheid en stabiliteit van vaste-staats circuitbrekers te verbeteren, wordt een permanente magneet isolator schakelaar ontworpen die gebruikmaakt van een bistabiele permanente magneetmechanisme. In deze structuur wordt de kracht voor sluiten en openen voornamelijk geleverd door permanente magneten, waarbij de spoel slechts tijdelijk wordt geactiveerd tijdens schakeloperaties. Dit vermindert het energieverbruik met ongeveer 90% ten opzichte van traditionele elektromagnetische isolator schakelaars. Adams dynamische simulatieanalyse toont aan dat de mechanische levensduur van deze permanente magneet isolator schakelaar meer dan 1 miljoen operaties overschrijdt, met een contactafscheidingssnelheid van 3 m/s. De hoge contactafscheidingssnelheid zorgt voor snelle circuitscheiding bij het optreden van een storing, wat de kans op boogvorming vermindert en de onderbrekingscapaciteit van de schakelaar verhoogt. De lange mechanische levensduur zorgt voor stabiele prestaties bij langdurig gebruik, waardoor onderhoud en vervanging frequentie verlaagd worden, en zo sterke ondersteuning biedt voor de efficiënte werking van de vaste-staats circuitbreker.

(2) Thermische beheersoplossing
Om de warmteafvoerproblemen in hoog-energie-dichtheid ontwerpen aan te pakken, wordt een hybride koeloplossing voorgesteld die verdampingskoeling combineert met geforceerde luchtverkoeling. Verdampingskoeling maakt gebruik van het principe van vloeistofverdamping die warmte absorbeert, waardoor efficiënte warmteoverdracht in compacte ruimtes mogelijk is. Geforceerde luchtverkoeling versterkt de warmteafvoer door ventilatorgedreven geforceerde convection. Deze hybride koelmethode stabiliseert de hotspots temperatuur van het module onder de 75°C, met een temperatuurstijgingssnelheid van minder dan 5°C/min, wat voldoet aan standaardvereisten.III. Experimentele verificatie

3 Experimentele verificatie

3.1 Prototype parameters
Om de effectiviteit van de kern technologieën en ontwerpschema's te verifiëren, is een prototype van een laagspannings DC vaste-staats circuitbreker ontwikkeld, met de volgende hoofdparameters:

3.2 Type testresultaten

Er werden uitgebreide type-tests uitgevoerd op het prototype om te evalueren of de prestaties voldoen aan de eisen voor praktische toepassingen:

(1) Kortsluitingsonderbrekingstest
Kortsluitstoringen behoren tot de meest ernstige storingtypen in energievoorzieningsystemen, en de enorme momentane stroom die ze genereren, vormt een aanzienlijke bedreiging voor de werking van apparatuur. Om deze extreme conditie te simuleren, werd een testomgeving opgesteld met een 23 kA kortsluitstroom—een strenge uitdaging voor de vaste-staats circuitbreker. Bij het begin van de test activeerde het prototype zich snel, en begon de ingebouwde snelle storingdetectie- en -onderbrekingstechnologie te functioneren. Deze technologie, door middel van high-precision stroommonitoring en een snelle responsmechanisme, detecteerde de abnormale stroom binnen een uiterst korte tijd en activeerde onmiddellijk het onderbrekingsproces.

Tijdens de onderbreking observeerden de testpersoneel nauwkeurig de prestaties van de breker, en er trad geen boogheraansteking op gedurende het proces. Dit resultaat demonstreert niet alleen de hoge efficiëntie van de snelle storingdetectie- en -onderbrekingstechnologie, maar benadrukt ook de superieure onderbrekingsprestaties van de vaste-staats circuitbreker. Bij traditionele circuitbrekers is boogheraansteking een moeilijk te vermijden probleem dat vaak leidt tot secundaire storingen of zelfs ernstige apparatuurschade. Daarentegen vermijdt de vaste-staats circuitbreker dit probleem door geavanceerde onderbrekingstechnieken, waardoor sterke ondersteuning wordt geboden voor de stabiele werking van energievoorzieningsystemen.

(2) Temperatuurstijgingstest
Thermische prestaties zijn een andere belangrijke factor in de evaluatie van vaste-staats circuitbrekers. Om de warmteafvoercapaciteit van het apparaat tijdens langdurige bedrijfsvoering effectief te beoordelen, werd een temperatuurstijgingstest uitgevoerd. Het prototype moest continu 24 uur draaien, waarbij aanzienlijke warmte werd geproduceerd [9]. Na de test werden temperatuursensoren gebruikt om de temperatuur van het prototype te meten. De resultaten toonden een temperatuurstijging van ΔT = 32 K. Deze gegevens bevestigen de effectiviteit van de hybride koeloplossing die verdampingskoeling combineert met geforceerde luchtverkoeling. Door het natuurlijke warmteafvoerprincipe van verdampingskoeling te integreren met de geforceerde convectie van geforceerde luchtverkoeling, dissipeert het systeem de warmte die tijdens de bedrijfsvoering wordt geproduceerd, waardoor het apparaat binnen een aanvaardbare temperatuurbereik blijft. Goede thermische beheersing zorgt niet alleen voor stabiele werking van de vaste-staats circuitbreker, maar verlengt ook de levensduur ervan.

(3) Levensduurtest
Levensduur is een cruciale indicator voor het bepalen of een vaste-staats circuitbreker wijdverspreid kan worden toegepast in echte energievoorzieningsystemen. Daarom werd, om de levensduurprestaties te verifiëren, het prototype onderworpen aan een uithoudingsproef van één miljoen bedrijfscycli. Tijdens de test monitorden de personeel nauwkeurig de veranderingen in de contactweerstand van het prototype. Na de test werd de contactweerstand gemeten en bleek deze met minder dan 5% te zijn veranderd. Dit resultaat bevestigt de effectiviteit van het langlevende ontwerp van de permanente magneet isolator schakelaar. Zelfs na langdurige en frequente bedrijfsvoering blijven de schakelaarcontacten uitstekende geleidbaarheid behouden, waardoor de betrouwbare aan- en uitschakelfunctie van de vaste-staats circuitbreker wordt gewaarborgd.

4 Conclusie
Tot slot presenteert dit artikel een technische oplossing voor laagspannings DC vaste-staats circuitbrekers op basis van grondig onderzoek naar kern technologieën, waaronder optimalisatie van breedbandgap-apparaten, intelligente controlealgoritmen en ontwerpen met hoge betrouwbaarheid. Experimentele validatie toont aan dat het ontwikkelde prototype leidende prestaties bereikt in belangrijke indicatoren zoals onderbrekingssnelheid, nauwkeurigheid van storingdetectie en operationele levensduur.

Het realiseert succesvol microseconde-niveau snelle onderbreking en een miljoen-cyclus operationele levensduur, en biedt een praktische en haalbare oplossing voor bescherming in nieuwe energie distributiesystemen. Met het oog op de toekomst zijn er veelbelovende onderzoeksrichtingen voor laagspannings DC vaste-staats circuitbrekers. Bijvoorbeeld, het opzetten van een apparaat-verpakking-systeem niveau geïntegreerde simulatiemodel zou de prestaties van vaste-staats circuitbrekers onder verschillende bedrijfsomstandigheden meeromvattend kunnen simuleren, waardoor meer accurate theoretische ondersteuning wordt geboden voor ontwerpoptimalisatie.