Tecnologias Chave dos Disjuntores de Estado Sólido em Corrente Contínua de Baixa Tensão

1 Desafios Técnicos

1.1 Estabilidade do Paralelismo de Dispositivos
Na prática, a capacidade de condução de corrente de um único dispositivo eletrônico de potência é relativamente limitada. Para atender às necessidades de alta corrente, muitas vezes vários dispositivos são conectados em paralelo. No entanto, variações nos parâmetros entre os dispositivos, como pequenas diferenças na resistência de condução e na tensão de limiar, podem causar uma distribuição desigual de corrente durante a operação em paralelo. Durante as transientes de comutação, a indutância e a capacitância parasitas levam a taxas de mudança de corrente inconsistentes entre os dispositivos em paralelo, exacerbando o desequilíbrio de corrente. Se não for abordado prontamente, esse desequilíbrio pode fazer com que certos dispositivos superaqueçam e falhem devido à corrente excessiva, reduzindo a vida útil do disjuntor de circuito de estado sólido.

1.2 Atraso na Detecção de Falhas
Nos sistemas DC, as características da corrente de falha diferem significativamente dos sistemas AC, faltando pontos de cruzamento zero que auxiliam na detecção e interrupção de falhas. Isso exige que os disjuntores de circuito de estado sólido utilizem algoritmos de detecção de falhas em microsegundos para identificar falhas com precisão e responder rapidamente. Os métodos tradicionais de detecção de falhas sofrem de atrasos significativos ao lidar com correntes de falha DC em rápida mudança, tornando-os incapazes de atender às demandas de proteção rápida.

1.3 Contradição Entre Dissipação de Calor e Volume
Para atender à demanda dos sistemas de energia modernos por alta densidade de potência, os projetos de disjuntores de circuito de estado sólido devem alcançar maior capacidade de manuseio de potência em espaço limitado. No entanto, uma maior densidade de potência leva a um aumento acentuado no calor gerado pelos dispositivos eletrônicos de potência. A dissipação inadequada de calor causa temperaturas excessivas, degradando o desempenho dos dispositivos e potencialmente acionando fugas térmicas e falhas de equipamento. As técnicas de resfriamento convencionais têm um desempenho ruim com disjuntores de estado sólido de alta densidade de potência. Embora o resfriamento líquido possa melhorar a eficiência da dissipação de calor, ele aumenta o tamanho e o custo do equipamento. Portanto, como equilibrar a refrigeração eficiente com o controle de volume razoável—alcançando uma otimização sinérgica—permanece um desafio-chave no design de disjuntores de circuito de estado sólido.

2 Pesquisa de Tecnologia Chave

2.1 Tecnologia de Aplicação de Dispositivos de Largura de Banda Larga
(1) Seleção e Empacotamento de SiC MOSFET
Entre os diversos dispositivos de largura de banda larga, os SiC MOSFETs de baixa perda de condução oferecem vantagens significativas. Para melhorar seu desempenho em aplicações multi-dispositivo em paralelo, adota-se um layout simétrico de Direct Bonded Copper (DBC). Este layout reduz efetivamente a indutância parasita, crucial para melhorar as características de comutação do dispositivo. Durante a comutação, especialmente no desligamento, a interação entre a indutância parasita e a capacitância do dispositivo causa oscilação da tensão de gate. Testes experimentais mostram que, com um layout DBC simétrico, a oscilação da tensão de gate durante o desligamento pode ser controlada para menos de 5%. Isso não apenas melhora a estabilidade dinâmica durante a operação em paralelo, mas também reduz o risco de danos ao dispositivo causados pela oscilação de tensão.

(2) Controle de Compartilhamento Dinâmico de Corrente
Para abordar o desafio do desequilíbrio de corrente em dispositivos em paralelo, introduz-se uma estratégia de controle que combina um barramento de compartilhamento de corrente com regulação PI adaptativa. O barramento de compartilhamento de corrente, através de um design estrutural único, fornece um caminho de distribuição de corrente equilibrado para cada ramo paralelo no nível físico. Sobre essa base, um algoritmo de regulação PI adaptativo ajusta dinamicamente os sinais de acionamento de cada dispositivo com base no monitoramento em tempo real das correntes dos ramos, alcançando um controle mais preciso de compartilhamento de corrente.

2.2 Tecnologia de Detecção e Interrupção Rápida de Falhas
(1) Detecção de Falhas Baseada na Tensão de Gate
A análise das características de curto-circuito do SiC MOSFET revela que, durante uma falha de curto-circuito, a tensão dreno-fonte (VDS) sobe rapidamente para 900V, enquanto a tensão de gate cai significativamente com uma inclinação superior a 10 V/ns. Utilizando essa característica, projeta-se um comparador de dupla faixa para detecção rápida de falhas, definindo duas faixas de corrente: Ith1 = 500 A e Ith2 = 1,2 kA. Quando a corrente detectada excede Ith1, é acionado um alerta preliminar; exceder Ith2 indica uma falha de curto-circuito confirmada. O circuito de detecção e o algoritmo de processamento de sinal projetados alcançam um atraso de detecção de apenas 0,8 μs. Esta abordagem evita a conversão e o processamento complexos de sinais dos métodos tradicionais, utilizando as características elétricas inerentes do SiC MOSFET, melhorando significativamente a precisão da detecção de falhas.

(2) Estratégia de Interrupção Otimizada Multiobjetivo
Para alcançar uma interrupção de falhas de alto desempenho em disjuntores de circuito de estado sólido, o tempo de interrupção (Δt), a absorção de energia (EMOV) e a corrente de pico (Ipeak) são definidos como funções objetivo, otimizados usando um algoritmo de otimização de enxame de partículas multiobjetivo (MOPSO). Um tempo de interrupção mais curto proporciona melhor proteção para os equipamentos do sistema; a absorção de energia afeta a seleção e a vida útil de componentes de proteção, como MOVs; a corrente de pico excessiva causa um estresse elétrico significativo, impactando a operação normal dos equipamentos.

Através de múltiplas iterações de otimização MOPSO, determinam-se parâmetros ótimos: indutor limitador de corrente LB = 15 μH e coeficiente de limitação de tensão do MOV γ = 1,8. Usando esses parâmetros otimizados, o tempo de interrupção é reduzido para 73,5 μs, e a corrente máxima é limitada a 526 A. Para demonstrar visualmente o efeito da otimização, o método de tomada de decisão TOPSIS compara os resultados antes e depois da otimização. A comparação mostra melhorias significativas em indicadores-chave, como tempo de interrupção, absorção de energia e corrente de pico, melhorando muito o desempenho geral e atendendo melhor aos requisitos práticos de engenharia para interrupção rápida e confiável por disjuntores de circuito de estado sólido.

2.3 Design de Estrutura Mecânica de Alta Confiabilidade
(1) Interruptor Isolador de Ímã Permanente
Para melhorar a confiabilidade e a estabilidade dos disjuntores de circuito de estado sólido, projeta-se um interruptor isolador de ímã permanente empregando um mecanismo de ímã permanente bistável. Nesta estrutura, a força de retenção para fechamento e abertura é principalmente fornecida por ímãs permanentes, com a bobina energizada apenas momentaneamente durante as operações de comutação. Isso reduz o consumo de energia em aproximadamente 90% em comparação com interruptores isoladores eletromagnéticos tradicionais. A análise dinâmica Adams mostra que a vida mecânica deste interruptor isolador de ímã permanente excede 1 milhão de operações, com uma velocidade de separação de contato de 3 m/s. A alta velocidade de separação de contato garante a desconexão rápida do circuito em caso de falha, reduzindo a probabilidade de geração de arco e melhorando a capacidade de interrupção do interruptor. A longa vida mecânica garante um desempenho estável ao longo do uso prolongado, reduzindo a frequência de manutenção e substituição, fornecendo, assim, forte suporte para a operação eficiente do disjuntor de circuito de estado sólido.

(2) Solução de Gerenciamento Térmico
Para abordar os desafios de dissipação de calor em designs de alta densidade de potência, propõe-se uma solução de resfriamento híbrida que combina resfriamento por evaporação com resfriamento forçado por ar. O resfriamento por evaporação utiliza o princípio da evaporação de líquido absorvendo calor, permitindo uma transferência de calor eficiente em espaços compactos. O resfriamento forçado por ar ainda mais aprimora a dissipação de calor através da convecção forçada impulsionada por ventiladores. Este método de resfriamento híbrido estabiliza a temperatura do ponto quente do módulo abaixo de 75°C, com uma taxa de aumento de temperatura inferior a 5°C/min, atendendo aos requisitos padrão.III. Verificação Experimental

3 Verificação Experimental

3.1 Parâmetros do Protótipo
Para verificar a eficácia das tecnologias-chave e esquemas de design, desenvolveu-se um protótipo de disjuntor de circuito de estado sólido DC de baixa tensão, com os principais parâmetros a seguir:

3.2 Resultados de Testes de Tipo

Foram realizados testes de tipo abrangentes no protótipo para avaliar se seu desempenho atende aos requisitos para aplicações práticas:

(1) Teste de Interrupção de Curto-Circuito
Falhas de curto-circuito são um dos tipos de falhas mais graves nos sistemas de energia, e a corrente instantânea enorme que elas geram representa uma ameaça significativa para a operação dos equipamentos. Para simular essa condição extrema, foi estabelecido um ambiente de teste de corrente de curto-circuito de 23 kA—representando um desafio rigoroso para o disjuntor de circuito de estado sólido. No início do teste, o protótipo ativou-se rapidamente, e sua tecnologia interna de detecção e interrupção de falhas rápidas começou a funcionar. Essa tecnologia, através do monitoramento de corrente de alta precisão e de um mecanismo de resposta rápida, detectou a corrente anormal em um tempo extremamente curto e imediatamente acionou o processo de interrupção.

Durante a interrupção, os técnicos de teste observaram de perto o desempenho do disjuntor, e não ocorreu re-ignição de arco durante todo o processo. Este resultado não apenas demonstra a alta eficiência da tecnologia de detecção e interrupção de falhas rápidas, mas também destaca o excelente desempenho de interrupção do disjuntor de circuito de estado sólido. Nos disjuntores tradicionais, a re-ignição de arco é um problema difícil de evitar, que frequentemente leva a falhas secundárias ou até mesmo a danos severos nos equipamentos. Por contraste, o disjuntor de circuito de estado sólido consegue evitar esse problema através de técnicas avançadas de interrupção, fornecendo, assim, forte suporte para a operação estável dos sistemas de energia.

(2) Teste de Aquecimento
O desempenho térmico é outro fator-chave na avaliação de disjuntores de circuito de estado sólido. Para avaliar efetivamente a capacidade de dissipação de calor do dispositivo durante a operação prolongada, realizou-se um teste de aquecimento. O protótipo foi submetido a uma operação contínua de 24 horas, durante a qual foi gerado calor significativo [9]. Após o teste, sensores de temperatura foram usados para medir a temperatura do protótipo. Os resultados mostraram um aumento de temperatura de ΔT = 32 K. Esses dados confirmam a eficácia da solução de resfriamento híbrida que combina resfriamento por evaporação e resfriamento forçado por ar. Integrando o princípio natural de dissipação de calor por evaporação com a convecção forçada do resfriamento por ar, o sistema dissipa eficientemente o calor gerado durante a operação, garantindo que o dispositivo permaneça dentro de uma faixa de temperatura aceitável. Um bom gerenciamento térmico não apenas garante a operação estável do disjuntor de circuito de estado sólido, mas também prolonga sua vida útil.

(3) Teste de Vida Útil
A vida útil é um indicador crítico para determinar se um disjuntor de circuito de estado sólido pode ser amplamente aplicado em sistemas de energia reais. Portanto, para verificar seu desempenho de vida útil, o protótipo passou por um teste de durabilidade de um milhão de ciclos de operação. Durante todo o teste, os técnicos monitoraram de perto as mudanças na resistência de contato do protótipo. Após o teste, a resistência de contato foi medida e constatou-se que havia mudado menos de 5%. Este resultado valida a eficácia do design de longa duração do interruptor isolador de ímã permanente. Mesmo após operações prolongadas e frequentes, os contatos do interruptor mantêm excelente condutividade, garantindo a funcionalidade confiável de ligar/desligar do disjuntor de circuito de estado sólido.

4 Conclusão
Em resumo, este artigo apresenta uma solução técnica para disjuntores de circuito de estado sólido DC de baixa tensão baseada em pesquisa aprofundada sobre tecnologias-chave, incluindo a otimização de dispositivos de largura de banda larga, algoritmos de controle inteligente e design estrutural de alta confiabilidade. A validação experimental mostra que o protótipo desenvolvido alcança um desempenho líder em indicadores-chave, como velocidade de interrupção, precisão de detecção de falhas e vida útil operacional.

Ele realiza com sucesso a interrupção rápida em microsegundos e uma vida útil de um milhão de ciclos, fornecendo uma solução prática e viável para a proteção em sistemas de distribuição de energia renovável. Olhando para o futuro, existem muitas direções promissoras de pesquisa para disjuntores de circuito de estado sólido DC de baixa tensão. Por exemplo, estabelecer um modelo de simulação integrado no nível de dispositivo-empacotamento-sistema poderia simular de forma mais abrangente o desempenho dos disjuntores de circuito de estado sólido em várias condições de operação, fornecendo, assim, um suporte teórico mais preciso para a otimização do design.