Kluczowe technologie niskonapięciowych DC przerzutników stałoprzewodowych

1 Wyzwania techniczne

1.1 Stabilność połączeń równoległych urządzeń
W praktyce, zdolność przewodzenia pojedynczego urządzenia elektronicznego jest stosunkowo ograniczona. Aby spełnić wymagania dotyczące dużych prądów, często łączy się wiele urządzeń w układzie równoległym. Jednakże zmienności parametrów między urządzeniami, takie jak nieznaczne różnice w oporze na stanowisku i napięciu progowym, mogą powodować nierównomierne rozłożenie prądu podczas pracy równoległej. Podczas przełączania, indukcyjność i pojemność pasożytnicza dalszo prowadzą do niejednorodnych zmian prądu między urządzeniami równoległymi, co zaostrza problem nierównomiernego rozkładu prądu. Jeśli ten dysbalans nie zostanie szybko rozwiązany, może to spowodować przegrzewanie i awarię niektórych urządzeń z powodu nadmiernego prądu, co skraca czas użytkowania półprzewodnikowego wyłącznika obwodowego.

1.2 Opóźnienie w wykrywaniu uszkodzeń
W systemach DC charakterystyka prądu uszkodzeniowego znacząco różni się od systemów AC, brakując punktów zerowych, które pomagają w wykrywaniu i przerywaniu uszkodzeń. To wymaga, aby półprzewodnikowe wyłączniki obwodowe wykorzystywały algorytmy wykrywania uszkodzeń na poziomie mikrosekund, aby dokładnie identyfikować uszkodzenia i reagować szybko. Tradycyjne metody wykrywania uszkodzeń mają istotne opóźnienia przy radzeniu sobie z szybko zmieniającymi się prądami uszkodzeniowymi DC, przez co nie są w stanie spełnić wymogów szybkiej ochrony.

1.3 Konflikt między odprowadzaniem ciepła a objętością
Aby spełnić współczesne wymagania systemów energetycznych dotyczące wysokiej gęstości mocy, projektowanie półprzewodnikowych wyłączników obwodowych musi osiągnąć większą zdolność przetwarzania mocy w ograniczonej przestrzeni. Jednakże wyższa gęstość mocy prowadzi do ostrego wzrostu ciepła generowanego przez urządzenia elektroniczne. Niedostateczne odprowadzanie ciepła powoduje zbyt wysokie temperatury, degradację wydajności urządzeń i potencjalnie uruchamia proces termiczny i awarię sprzętu. Klasyczne techniki chłodzenia działają słabo dla półprzewodnikowych wyłączników o wysokiej gęstości mocy. Chociaż chłodzenie ciekłe może poprawić efektywność odprowadzania ciepła, zwiększa ono rozmiar i koszt sprzętu. Dlatego balansowanie efektywnego chłodzenia z rozsądnym kontrolowaniem objętości, osiągając optymalizację synergistyczną, pozostaje kluczowym wyzwaniem w projektowaniu półprzewodnikowych wyłączników obwodowych.

2 Badania kluczowych technologii

2.1 Technologia zastosowania szerokozakresowych urządzeń
(1) Wybór i pakowanie SiC MOSFET
Spośród różnych szerokozakresowych urządzeń, SiC MOSFET o niskich stratach przewodzenia oferują znaczące korzyści. Aby zwiększyć ich wydajność w aplikacjach wielu urządzeń równoległych, stosuje się symetryczną konfigurację Direct Bonded Copper (DBC). Ta konfiguracja skutecznie redukuje indukcyjność pasożytniczą, która jest kluczowa dla poprawy charakterystyk przełączania urządzenia. Podczas przełączania, szczególnie podczas zamykania, interakcja między indukcyjnością pasożytniczą a pojemnością urządzenia powoduje oscylacje napięcia bramki. Testy eksperymentalne pokazują, że z symetryczną konfiguracją DBC oscylacje napięcia bramki podczas zamykania można kontrolować poniżej 5%. To nie tylko poprawia dynamiczną stabilność podczas pracy równoległej, ale także zmniejsza ryzyko uszkodzenia urządzenia spowodowane oscylacjami napięcia.

(2) Sterowanie dynamicznym rozłożeniem prądu
Aby rozwiązać problem nierównomiernego rozłożenia prądu w urządzeniach równoległych, wprowadzono strategię sterowania łączącą szynę rozdziału prądu z adaptacyjnym regulatorem PI. Szyna rozdziału prądu, dzięki unikalnej konstrukcji, zapewnia równomierne rozłożenie prądu dla każdej gałęzi równoległej na poziomie fizycznym. Na tej podstawie, algorytm adaptacyjnego regulowania PI dynamicznie dostosowuje sygnały sterujące każdego urządzenia na podstawie monitorowania w czasie rzeczywistym prądów gałęzi, osiągając bardziej precyzyjne sterowanie rozłożeniem prądu.

2.2 Szybka technologia wykrywania i przerywania uszkodzeń
(1) Wykrywanie uszkodzeń oparte na napięciu bramki
Analiza charakterystyk krótkiego spięcia SiC MOSFET wykazała, że podczas uszkodzenia krótkiego spięcia, napięcie między drainerem a źródłem (VDS) szybko rośnie do 900 V, podczas gdy napięcie bramki znacznie spada ze stromością przekraczającą 10 V/ns. Wykorzystując tę cechę, zaprojektowano komparator dwuprogowy do szybkiego wykrywania uszkodzeń, ustawiając dwa progi prądu: Ith1 = 500 A i Ith2 = 1.2 kA. Gdy wykryty prąd przekracza Ith1, wyzwalane jest wstępne ostrzeżenie; przekroczenie Ith2 wskazuje na potwierdzone uszkodzenie krótkiego spięcia. Zaprojektowany układ detekcyjny i algorytm przetwarzania sygnałów osiąga opóźnienie wykrycia zaledwie 0.8 μs. Ten podejście omija skomplikowane konwersje i przetwarzanie sygnałów metod tradycyjnych, wykorzystując naturalne właściwości elektryczne SiC MOSFET, znacząco poprawiając dokładność wykrywania uszkodzeń.

(2) Strategia przerywania zoptymalizowana wielokrotnie
Aby osiągnąć wysokowydajne przerywanie uszkodzeń w półprzewodnikowych wyłącznikach obwodowych, czas przerywania (Δt), absorpcja energii (EMOV) i impuls prądu (Ipeak) są ustawiane jako funkcje celu, zoptymalizowane za pomocą algorytmu wielokryterialnej optymalizacji roju cząsteczek (MOPSO). Krótszy czas przerywania zapewnia lepszą ochronę sprzętu systemowego; absorpcja energii wpływa na wybór i długość życia elementów ochronnych, takich jak MOV; zbyt duży impuls prądu powoduje znaczące obciążenia elektryczne, wpływające na normalną pracę sprzętu.

Po wielu iteracjach optymalizacji MOPSO, określono optymalne parametry: induktor ograniczający prąd LB = 15 μH i współczynnik ograniczający napięcie MOV γ = 1.8. Używając tych zoptymalizowanych parametrów, czas przerywania został skrócony do 73.5 μs, a maksymalny prąd ograniczony do 526 A. Aby wizualnie zademonstrować efekt optymalizacji, metoda TOPSIS porównuje wyniki przed i po optymalizacji. Porównanie pokazuje znaczące poprawy kluczowych wskaźników, takich jak czas przerywania, absorpcja energii i impuls prądu, znacznie zwiększając ogólną wydajność i lepiej spełniając praktyczne inżynierskie wymagania dotyczące szybkiego i niezawodnego przerywania przez półprzewodnikowe wyłączniki obwodowe.

2.3 Projekt mechaniczny o wysokiej niezawodności
(1) Przełącznik izolacyjny z magnesem trwałym
Aby poprawić niezawodność i stabilność półprzewodnikowych wyłączników obwodowych, zaprojektowano przełącznik izolacyjny z magnesem trwałym wykorzystując mechanizm dwustanowy z magnesem trwałym. W tej konstrukcji siła utrzymująca zamknięcie i otwarcie jest głównie zapewniana przez magnesy stałe, a cewka jest zasilana tylko na krótko podczas operacji przełączania. To zmniejsza zużycie energii o około 90% w porównaniu do tradycyjnych przełączników izolacyjnych z elektromagnesem. Analiza dynamiczna Adamsa pokazuje, że żywotność mechaniczna tego przełącznika izolacyjnego z magnesem trwałym przekracza 1 milion operacji, z prędkością rozdzielenia kontaktów 3 m/s. Wysoka prędkość rozdzielenia kontaktów zapewnia szybkie rozłączenie obwodu w przypadku wystąpienia uszkodzenia, zmniejszając prawdopodobieństwo powstania łuku elektrycznego i zwiększając zdolność przerywania przełącznika. Długa żywotność mechaniczna zapewnia stabilną wydajność podczas długotrwałego użytkowania, zmniejszając częstotliwość konserwacji i wymiany, co zapewnia silne wsparcie dla efektywnej pracy półprzewodnikowego wyłącznika obwodowego.

(2) Rozwiązanie zarządzania ciepłem
Aby rozwiązać problemy odprowadzania ciepła w projektach o wysokiej gęstości mocy, zaproponowano hybrydowe rozwiązanie chłodzenia łączące chłodzenie parowe z wymuszonym chłodzeniem powietrza. Chłodzenie parowe wykorzystuje zasadę absorpcji ciepła przez parowanie cieczy, umożliwiając efektywną wymianę ciepła w zwartej przestrzeni. Wymuszone chłodzenie powietrza dalej wzmacnia odprowadzanie ciepła poprzez wymuszoną konwekcję napędzaną wentylatorem. Ta hybrydowa metoda chłodzenia stabilizuje temperaturę gorącej plamki modułu poniżej 75°C, z tempem wzrostu temperatury poniżej 5°C/min, spełniając standardowe wymagania.III. Weryfikacja eksperymentalna

3 Weryfikacja eksperymentalna

3.1 Parametry prototypu
Aby zweryfikować skuteczność kluczowych technologii i schematów projektowych, opracowano prototyp niskonapięciowego półprzewodnikowego wyłącznika obwodowego DC, z głównymi parametrami następującymi:

3.2 Wyniki testów typowych

Przeprowadzono kompleksowe testy typowe na prototypie, aby ocenić, czy jego wydajność spełnia wymagania praktycznego zastosowania:

(1) Test przerywania krótkiego spięcia
Uszkodzenia krótkiego spięcia są jednymi z najbardziej poważnych typów uszkodzeń w systemach energetycznych, a ogromne momentalne prądy, jakie generują, stanowią poważne zagrożenie dla działania sprzętu. Aby symulować te ekstremalne warunki, stworzono środowisko testowe z prądem krótkiego spięcia 23 kA — stanowiącym surowe wyzwanie dla półprzewodnikowego wyłącznika obwodowego. Na początku testu, prototyp szybko się aktywował, a wbudowana technologia szybkiego wykrywania i przerywania uszkodzeń rozpoczęła działanie. Ta technologia, poprzez precyzyjne monitorowanie prądu i szybki mechanizm reakcji, wykryła nietypowy prąd w bardzo krótkim czasie i natychmiast uruchomiła proces przerywania.

Podczas przerywania, personel testowy dokładnie obserwował wydajność wyłącznika, a przez cały proces nie wystąpiło ponowne zapalenie łuku. Ten rezultat nie tylko pokazuje wysoką efektywność technologii szybkiego wykrywania i przerywania uszkodzeń, ale również podkreśla wybitną zdolność przerywania półprzewodnikowego wyłącznika obwodowego. W tradycyjnych wyłącznikach obwodowych, ponowne zapalenie łuku jest trudno uniknionym problemem, który często prowadzi do wtórnych uszkodzeń lub nawet ciężkich uszkodzeń sprzętu. Natomiast półprzewodnikowy wyłącznik obwodowy pomyślnie unika tego problemu dzięki zaawansowanym technikom przerywania, co zapewnia silne wsparcie dla stabilnego działania systemów energetycznych.

(2) Test wzrostu temperatury
Wydajność termiczna jest kolejnym kluczowym czynnikiem w ocenie półprzewodnikowych wyłączników obwodowych. Aby skutecznie ocenić zdolność odprowadzania ciepła urządzenia podczas długotrwałej pracy, przeprowadzono test wzrostu temperatury. Prototyp był wymagany do ciągłej pracy przez 24 godziny, podczas której generowano znaczne ilości ciepła [9]. Po teście, użyto czujników temperatury do pomiaru temperatury prototypu. Wyniki pokazały wzrost temperatury ΔT = 32 K. Te dane potwierdzają skuteczność hybrydowego rozwiązania chłodzenia łączącego chłodzenie parowe z wymuszonym chłodzeniem powietrza. Poprzez integrację naturalnej zasady odprowadzania ciepła chłodzenia parowego z wymuszoną konwekcją chłodzenia powietrza, system efektywnie odprowadza ciepło generowane podczas pracy, zapewniając, że urządzenie pozostaje w dopuszczalnym zakresie temperatur. Dobre zarządzanie ciepłem nie tylko zapewnia stabilną pracę półprzewodnikowego wyłącznika obwodowego, ale także wydłuża jego czas użytkowania.

(3) Test żywotności
Czas użytkowania jest kluczowym wskaźnikiem określającym, czy półprzewodnikowy wyłącznik obwodowy może być szeroko stosowany w realnych systemach energetycznych. Dlatego, aby zweryfikować jego wydajność żywotnościową, prototyp przeszedł test wytrzymałościowy miliona cykli operacyjnych. Przez cały test, personel dokładnie monitorował zmiany oporu kontaktowego prototypu. Po teście, opór kontaktowy został zmierzony i okazało się, że zmienił się o mniej niż 5%. Ten rezultat potwierdza skuteczność długowiecznego projektu przełącznika izolacyjnego z magnesem trwałym. Nawet po długotrwałym i częstym użytkowaniu, kontakty przełącznika utrzymują doskonałą przewodność, zapewniając niezawodne działanie włączania/wyłączania półprzewodnikowego wyłącznika obwodowego.

4 Podsumowanie
Podsumowując, niniejszy artykuł przedstawia techniczne rozwiązanie dla niskonapięciowych półprzewodnikowych wyłączników obwodowych DC, oparte na dogłębnym badaniu kluczowych technologii, w tym optymalizacji szerokozakresowych urządzeń, inteligentnych algorytmów sterujących i projektu mechanicznego o wysokiej niezawodności. Weryfikacja eksperymentalna pokazuje, że opracowany prototyp osiąga prowadzącą wydajność w kluczowych wskaźnikach, takich jak szybkość przerywania, dokładność wykrywania uszkodzeń i czas użytkowania.

Udało się zrealizować mikrosekundowe szybkie przerywanie i milionowy cykl użytkowania, zapewniając praktyczne i wykonalne rozwiązanie dla ochrony w nowoczesnych systemach dystrybucji energii odnawialnej. Patrząc w przyszłość, istnieje wiele obiecujących kierunków badań dla niskonapięciowych półprzewodnikowych wyłączników obwodowych DC. Na przykład, stworzenie modelu symulacyjnego na poziomie urządzenie-pakowanie-system mógłby bardziej kompleksowo symulować wydajność półprzewodnikowych wyłączników obwodowych w różnych warunkach pracy, dostarczając bardziej dokładne teoretyczne wsparcie dla optymalizacji projektu.