Ключевые технологии низковольтных DC твердотельных выключателей

1 Технические проблемы

1.1 Стабильность параллельного подключения устройств
На практике пропускная способность тока одного полупроводникового устройства относительно ограничена. Для удовлетворения требований к высоким токам часто используются несколько устройств, подключенных параллельно. Однако вариации параметров между устройствами, такие как небольшие различия в сопротивлении на включенном состоянии и пороговом напряжении, могут вызывать неравномерное распределение тока при параллельной работе. Во время переходных процессов паразитные индуктивность и емкость еще больше приводят к несогласованности скорости изменения тока между параллельными устройствами, усугубляя дисбаланс тока. Если этот дисбаланс не будет своевременно устранен, некоторые устройства могут перегреться и выйти из строя из-за чрезмерного тока, что снижает срок службы твердотельного выключателя.

1.2 Задержка обнаружения неисправностей
В постоянных системах характеристики тока короткого замыкания значительно отличаются от переменных систем, отсутствуют точки перехода через ноль, которые помогают в обнаружении и прерывании неисправностей. Это требует, чтобы твердотельные выключатели использовали алгоритмы обнаружения неисправностей на уровне микросекунд для точного определения неисправностей и быстрого реагирования. Традиционные методы обнаружения неисправностей имеют значительные задержки при работе с быстро изменяющимися токами короткого замыкания в постоянных системах, что делает их неспособными удовлетворить требования быстрой защиты.

1.3 Противоречие между теплоотводом и объемом
Для удовлетворения современных потребностей в высокой плотности мощности системы твердотельные выключатели должны обеспечивать большую мощность в ограниченном пространстве. Однако более высокая плотность мощности приводит к резкому увеличению тепла, генерируемого полупроводниковыми устройствами. Недостаточный теплоотвод вызывает чрезмерный нагрев, ухудшая работу устройств и потенциально вызывая тепловое разрушение и выход оборудования из строя. Традиционные методы охлаждения плохо справляются с высокоплотными твердотельными выключателями. Хотя жидкостное охлаждение может улучшить эффективность теплоотвода, оно увеличивает размер и стоимость оборудования. Таким образом, достижение баланса между эффективным охлаждением и разумным контролем объема, достигая синергетической оптимизации, остается ключевой задачей в проектировании твердотельных выключателей.

2 Исследование ключевых технологий

2.1 Технология применения широкозонных устройств
(1) Выбор и упаковка SiC MOSFET
Среди различных широкозонных устройств SiC MOSFET с низкими потерями проводимости имеют значительные преимущества. Для улучшения их производительности в многоканальных параллельных приложениях используется симметричная компоновка Direct Bonded Copper (DBC). Эта компоновка эффективно снижает паразитную индуктивность, что критически важно для улучшения характеристик переключения устройства. Во время переключения, особенно при отключении, взаимодействие между паразитной индуктивностью и емкостью устройства вызывает колебания напряжения на затворе. Экспериментальные тесты показывают, что с симметричной компоновкой DBC колебания напряжения на затворе при отключении можно контролировать менее чем 5%. Это не только улучшает динамическую стабильность при параллельной работе, но и снижает риск повреждения устройства из-за колебаний напряжения.

(2) Контроль динамического распределения тока
Для решения проблемы неравномерного распределения тока в параллельных устройствах вводится стратегия управления, сочетающая шину распределения тока с адаптивным регулированием PI. Шина распределения тока, благодаря уникальной конструкции, обеспечивает физический путь для равномерного распределения тока по каждому параллельному каналу. На этой основе адаптивный алгоритм регулирования PI динамически корректирует сигналы управления каждого устройства на основе мониторинга тока в реальном времени, обеспечивая более точное управление распределением тока.

2.2 Технологии быстрого обнаружения и прерывания неисправностей
(1) Обнаружение неисправностей на основе напряжения на затворе
Анализ характеристик короткого замыкания SiC MOSFET показывает, что при коротком замыкании напряжение между истоком и стоком (VDS) быстро возрастает до 900 В, а напряжение на затворе значительно падает с крутизной, превышающей 10 В/нс. Используя эту характеристику, разработан двойной пороговый компаратор для быстрого обнаружения неисправностей, устанавливающий два порога тока: Ith1 = 500 А и Ith2 = 1,2 кА. Когда обнаруженный ток превышает Ith1, активируется предварительное предупреждение; превышение Ith2 указывает на подтвержденное короткое замыкание. Разработанная схема обнаружения и алгоритм обработки сигнала обеспечивают задержку обнаружения всего 0,8 мкс. Этот подход, используя врожденные электрические характеристики SiC MOSFET, обходит сложные преобразования и обработку сигналов традиционных методов, значительно улучшая точность обнаружения неисправностей.

(2) Многоцелевая оптимизированная стратегия прерывания
Для достижения высокой производительности прерывания неисправностей в твердотельных выключателях в качестве целевых функций установлены время прерывания (Δt), поглощаемая энергия (EMOV) и пиковый ток (Ipeak), оптимизируемые с помощью многоцелевого алгоритма роя частиц (MOPSO). Более короткое время прерывания обеспечивает лучшую защиту оборудования системы; поглощенная энергия влияет на выбор и срок службы защитных компонентов, таких как MOV; избыточный пиковый ток создает значительное электрическое напряжение, влияющее на нормальное функционирование оборудования.

После нескольких итераций оптимизации MOPSO определены оптимальные параметры: индуктивность ограничивающего тока LB = 15 мкГн и коэффициент ограничения напряжения MOV γ = 1,8. Использование этих оптимизированных параметров сокращает время прерывания до 73,5 мкс, а максимальный ток ограничивается до 526 А. Для визуальной демонстрации эффекта оптимизации метод принятия решений TOPSIS сравнивает результаты до и после оптимизации. Сравнение показывает значительное улучшение ключевых показателей, таких как время прерывания, поглощенная энергия и пиковый ток, что значительно улучшает общую производительность и лучше соответствует практическим инженерным требованиям к быстрому и надежному прерыванию твердотельными выключателями.

2.3 Проектирование механической структуры с высокой надежностью
(1) Переключатель с постоянными магнитами
Для улучшения надежности и стабильности твердотельных выключателей разработан переключатель с постоянными магнитами, использующий двухстабильный механизм постоянных магнитов. В этой конструкции усилие для закрытия и открытия в основном предоставляется постоянными магнитами, а катушка питается только кратковременно во время операций переключения. Это снижает потребление энергии примерно на 90% по сравнению с традиционными электромагнитными переключателями. Анализ динамики Adams показывает, что механический ресурс этого переключателя с постоянными магнитами превышает 1 миллион операций, со скоростью разделения контактов 3 м/с. Высокая скорость разделения контактов обеспечивает быстрое отключение цепи при возникновении неисправности, снижая вероятность образования дуги и улучшая способность переключателя к прерыванию. Долгий механический ресурс обеспечивает стабильную работу при длительном использовании, снижая частоту обслуживания и замены, тем самым предоставляя прочную поддержку для эффективной работы твердотельного выключателя.

(2) Решение по управлению теплом
Для решения проблем теплоотвода в высокоплотных конструкциях предложено гибридное решение охлаждения, сочетающее испарительное охлаждение с принудительным воздушным охлаждением. Испарительное охлаждение использует принцип испарения жидкости, поглощающей тепло, обеспечивая эффективный теплообмен в компактном пространстве. Принудительное воздушное охлаждение дополнительно усиливает теплоотвод за счет вентиляторного принудительного конвективного охлаждения. Этот гибридный метод охлаждения стабилизирует температуру горячих точек модуля ниже 75°C, с темпом повышения температуры менее 5°C/мин, что соответствует стандартным требованиям.III. Экспериментальная проверка

3 Экспериментальная проверка

3.1 Параметры прототипа
Для проверки эффективности ключевых технологий и проектных решений был разработан прототип твердотельного выключателя постоянного тока низкого напряжения, основные параметры которого следующие:

3.2 Результаты типовых испытаний

Проведены комплексные типовые испытания прототипа для оценки его производительности, соответствующей требованиям практических применений:

(1) Испытание прерывания короткого замыкания
Короткие замыкания являются одними из наиболее серьезных типов неисправностей в энергетических системах, и огромный мгновенный ток, который они генерируют, представляет значительную угрозу для работы оборудования. Чтобы смоделировать эти экстремальные условия, была создана среда для испытания короткого замыкания с током 23 кА, что представляет собой серьезное испытание для твердотельного выключателя. В начале испытания прототип быстро активировался, и встроенная технология быстрого обнаружения и прерывания неисправностей начала функционировать. Эта технология, благодаря высокоточному мониторингу тока и механизму быстрого реагирования, обнаружила аномальный ток в очень короткое время и немедленно запустила процесс прерывания.

Во время прерывания испытатели внимательно наблюдали за работой выключателя, и в течение всего процесса не произошло повторного воспламенения дуги. Этот результат не только демонстрирует высокую эффективность технологии быстрого обнаружения и прерывания неисправностей, но и подчеркивает превосходные характеристики прерывания твердотельного выключателя. В традиционных выключателях повторное воспламенение дуги является трудноизбежной проблемой, которая часто приводит к вторичным неисправностям или даже серьезному повреждению оборудования. В отличие от них, твердотельный выключатель успешно избегает этой проблемы благодаря передовым технологиям прерывания, тем самым обеспечивая прочную поддержку для стабильной работы энергетических систем.

(2) Испытание на нагрев
Тепловая производительность является еще одним ключевым фактором в оценке твердотельных выключателей. Для эффективной оценки способности устройства рассеивать тепло при длительной работе было проведено испытание на нагрев. Прототип должен был работать непрерывно в течение 24 часов, в течение которых выделялось значительное количество тепла [9]. После испытания датчики температуры были использованы для измерения температуры прототипа. Результаты показали повышение температуры ΔT = 32 K. Эти данные подтверждают эффективность гибридного решения охлаждения, сочетающего испарительное охлаждение и принудительное воздушное охлаждение. Интеграция принципа естественного теплоотвода испарительного охлаждения с принудительной конвекцией принудительного воздушного охлаждения позволяет системе эффективно рассеивать тепло, выделяемое при работе, обеспечивая, что устройство остается в допустимом диапазоне температур. Хорошее управление теплом не только обеспечивает стабильную работу твердотельного выключателя, но и продлевает его срок службы.

(3) Испытание на долговечность
Срок службы является важным показателем для определения, может ли твердотельный выключатель широко применяться в реальных энергетических системах. Поэтому, чтобы проверить его долговечность, прототип прошел испытание на один миллион циклов включения и выключения. В течение всего испытания персонал внимательно наблюдал за изменениями сопротивления контактов прототипа. После испытания было измерено сопротивление контактов, и оказалось, что оно изменилось менее чем на 5%. Этот результат подтверждает эффективность долговечного дизайна переключателя с постоянными магнитами. Даже после длительной и частой эксплуатации контакты переключателя сохраняют отличную проводимость, обеспечивая надежную работу твердотельного выключателя.

4 Заключение
В заключение, в данной статье представлено техническое решение для твердотельных выключателей постоянного тока низкого напряжения на основе глубокого исследования ключевых технологий, включая оптимизацию широкозонных устройств, интеллектуальные алгоритмы управления и проектирование с высокой надежностью. Экспериментальная проверка показала, что разработанный прототип достигает ведущих показателей по таким ключевым параметрам, как скорость прерывания, точность обнаружения неисправностей и срок службы.

Он успешно реализует микросекундное быстрое прерывание и срок службы в один миллион циклов, предоставляя практичное и осуществимое решение для защиты в системах распределения электроэнергии на основе новых источников энергии. В будущем существует множество перспективных направлений исследований для твердотельных выключателей постоянного тока низкого напряжения. Например, создание интегрированной модели симуляции на уровне устройства-упаковки-системы могло бы более полно моделировать производительность твердотельных выключателей в различных условиях эксплуатации, предоставляя более точную теоретическую поддержку для оптимизации проектирования.