Nøkkeltakknologi for lavspennings-DC fasttilstands-sirkuitbrytere

1 Tekniske utfordringer

1.1 Stabilitet ved parallellkobling av enheter
I praksis er strømforbaret kapasiteten til en enkelt kraftelktronisk enhet relativt begrenset. For å møte krav om høy strøm kobles ofte flere enheter parallelt. Imidlertid kan variasjoner i parametre mellom enheter, som små forskjeller i påstandmotstand og terskelspenning, føre til uregelmessig strømfordeling under parallell drift. Under skifteoverganger fører parasittinduktans og -kapasitans til ulik forandringstakt i strømmen mellom de parallelle enhetene, noe som forverrer strømujevnbakten. Hvis denne ubalansen ikke håndteres raskt, kan det føre til at visse enheter overhetter og mislykkes på grunn av for mye strøm, noe som reduserer levetiden til fasttilstands-sirkuitsprekkeren.

1.2 Forsinkelse i feiloppdagelse
I DC-systemer skiller seg egenskapene til feilstrømmer betydelig fra AC-systemer, med manglende null-gjennomsnittspunkter som hjelper med feiloppdagelse og avbryting. Dette krever at fasttilstands-sirkuitsprekker bruker mikrosekundsnivå feiloppdaging algoritmer for nøyaktig identifisering av feil og rask respons. Tradisjonelle metoder for feiloppdaging har betydelige forsinkelser når de håndterer raskt endrende DC-feilstrømmer, noe som gjør at de ikke kan møte kravene til hurtig beskyttelse.

1.3 Konflikt mellom varmetap og volum
For å møte moderne kraftsystems behov for høy effekttetthet må designet av fasttilstands-sirkuitsprekker oppnå større effekthåndtering innen begrenset rom. Imidlertid fører høyere effekttetthet til en skarp økning i varme generert av kraftelktroniske enheter. Utilstrekkelig varmekobling fører til unormalt høye temperaturer, noe som forverrer enhetenes ytelse og potensielt utløser termisk løp og utstyrssvik. Konvensjonelle kjøleteknikker presterer dårlig med høy-effekttetthets fasttilstands-sirkuitsprekker. Mens væskemassekjøling kan forbedre varmekoblingseffektiviteten, øker den utstyrets størrelse og kostnad. Derfor er det fortsatt en viktig utfordring i designet av fasttilstands-sirkuitsprekker å balansere effektiv kjøling med rimelig volumkontroll – å oppnå synnergistisk optimalisering.

2 Nøkkelforskning i teknologi

2.1 Anvendelse av bredbandsgap-enheter
(1) Utvelgelse og emballasje av SiC MOSFET
Blant ulike bredbandsgap-enheter gir SiC MOSFET med lav ledningsforlust betydelige fordeler. For å forbedre deres ytelse i fler-enhet-parallell-applikasjoner blir et symmetrisk Direct Bonded Copper (DBC)-oppsett valgt. Dette oppsettet reduserer effektivt parasittinduktans, noe som er viktig for å forbedre enhetenes skifteegenskaper. Under skifte, spesielt ved slukking, interagerer parasittinduktans og enhetskapasitans, noe som fører til gate-spenningssvingninger. Eksperimentelle tester viser at med et symmetrisk DBC-oppsett kan gate-spenningssvingninger under slukking kontrolleres til mindre enn 5%. Dette forbedrer ikke bare dynamisk stabilitet under parallell drift, men også reduserer risikoen for enhetssvik på grunn av spenningsvingninger.

(2) Dynamisk strømdelingkontroll
For å møte utfordringen med strømujevnbakten i parallelle enheter introduseres en kontrollstrategi som kombinerer en strømdelingbus med adaptiv PI-regulering. Strømdelingbus, gjennom unikt konstruksjonsdesign, gir en balansert strømfordelingsbane for hver parallell gren på fysisk nivå. På denne bakgrunnen justerer en adaptiv PI-reguleringsalgoritme dynamisk drivesignaler for hver enhet basert på sanntids-overvåking av gren-strøm, noe som oppnår mer nøyaktig strømdelingkontroll.

2.2 Rask feiloppdaging og avbrytingsteknologi
(1) Feiloppdaging basert på gate-spenningsanalyse
Analyse av SiC MOSFETs kortslutningsegenskaper viser at under en kortslutning feiler drain-source spenningen (VDS) raskt til 900V, mens gate-spenningen signifikant synker med en helning over 10 V/ns. Ved å utnytte denne egenskapen, designes en dobbel terskel-komparator for rask feiloppdaging, med to strømterskler: Ith1 = 500 A og Ith2 = 1.2 kA. Når det oppdagede strømmen overstiger Ith1, utløses en foreløpig advarsel; overstigning av Ith2 indikerer en bekreftet kortslutning. Det designede oppdagelseskretset og signalbehandlingsalgoritmen oppnår en oppdagelsesforsinkelse på bare 0.8 μs. Denne metoden unngår den komplekse signalkonvertering og -behandling av tradisjonelle metoder ved å utnytte SiC MOSFETs innebygde elektriske egenskaper, noe som betydelig forbedrer feiloppdagingsnøyaktigheten.

(2) Flere mål-optimalisert avbrytingsstrategi
For å oppnå høy-ytelses feilavbryting i fasttilstands-sirkuitsprekker settes avbrytningstid (Δt), energiabsorpsjon (EMOV) og pulsjestrøm (Ipeak) som målfunksjoner, optimalisert ved hjelp av en flermål partikkelsvearmoptimerings (MOPSO) algoritme. Kortere avbrytningstid gir bedre beskyttelse for systemutstyr; energiabsorpsjon påvirker valg og levetid av beskyttende komponenter som MOV; for mye pulsjestrøm fører til betydelig elektrisk stress, noe som påvirker normal utstyrshandling.