Ključne tehnologije nizevnapetostnih DC trdnofaznih prekiniteljev struje

1 Tehniške izzive

1.1 Stabilnost vzporednega povezovanja naprav
V praktičnih aplikacijah je nosilnost toka ene elektronske naprave za napajanje relativno omejena. Za izpolnjevanje zahtev glede visokih tokov se pogosto uporabljajo več naprav, povezanih vzporedno. Vendar pa lahko razlike v parametrih med napravami, kot so npr. majhne razlike v upornosti pri vklopu in pragovnem napetosti, povzročijo neravnomerno porazdelitev toka med vzporedno delujočimi napravami. Med preklopom lahko parazitna induktivnost in kapacitivnost še dodatno privede do neenakomerne spremembe hitrosti toka med vzporednimi napravami, kar poslabša neravnovesje toka. Če to neravnovesje ni hitro odpravljeno, lahko določene naprave presegajo zato, da presežejo mejo toka, kar skračuje življenjski čas tranzistorja tranzistorja.

1.2 Zakasnitev zaznavanja napak
V sistemih z enosmerim tokom se značilnosti krivulje toka pri napakah bistveno razlikujejo od sistemov z izmeničnim tokom, ki nimajo ničelne presečnice, ki pomaga pri zaznavanju in prekinjanju napak. To zahteva, da tranzistorji tranzistorja uporabljajo algoritme za zaznavanje napak na ravni mikrosekund, da bi točno identificirali napake in hitro reagirali. Tradicionalne metode zaznavanja napak imajo veliko zakasnitev pri obdelavi hitro spreminjajočih se tokov pri napakah v enosmernih sistemih, zaradi česar ne morejo zadostiti zahtevam za hitro zaščito.

1.3 Protislovje med oddaljevanjem toplote in prostornino
Za izpolnjevanje potreb sodobnih sistema za napajanje po višjo gostoto moči mora dizajn tranzistorjev tranzistorja doseči večjo moč v omejenem prostoru. Vendar pa višja gostota moči povzroča hitre rast toplote, ki jo generirajo elektronske naprave. Nedostatečno oddaljevanje toplote povzroči previsoke temperature, ki degradirajo zmogljivost naprav in lahko sprožijo termični beg in odpoved opreme. Konvencionalne tehnike hlaščenja slabo delujejo z visoko gostoto moči tranzistorjev tranzistorja. Hlaščenje tekočin lahko izboljša učinkovitost oddaljevanja toplote, vendar poveča velikost in strošek opreme. Torej, kako učinkovito hlaščenje uskladiti z razumnim nadzorom prostornine - doseči sinergično optimizacijo - ostaja ključni izziv pri dizajnu tranzistorjev tranzistorja.

2 Raziskava ključnih tehnologij

2.1 Uporaba tehnologije naprav s širokim pasom
(1) Izbor in embalaža SiC MOSFET-ov
Med različnimi napravami s širokim pasom ponujajo SiC MOSFET-i z nizkimi izgubami pri prevodu pomembne prednosti. Za izboljšanje njihove zmogljivosti v aplikacijah z več napravami vzporedno uporabljamo simetrično postavitev Direct Bonded Copper (DBC). Ta postavitev učinkovito zmanjša parazitno induktivnost, kar je ključno za izboljšanje preklapljalnih značilnosti naprav. Med preklopi, posebno pri izklopu, interakcija med parazitno induktivnostjo in kapacitivnostjo naprave povzroči oscilacijo napetosti na vrati. Eksperimentalni testi kažejo, da s simetrično postavitvijo DBC lahko oscilacijo napetosti na vrati med izklopom omejimo pod 5 %. To ne le izboljša dinamično stabilnost pri vzporednem delovanju, ampak tudi zmanjša tveganje za poškodbo naprave zaradi oscilacije napetosti.

(2) Dinamična kontrola deljenja toka
Za reševanje izziva neravnomernosti toka med vzporednimi napravami se uvaja strategija kontrole, ki združuje autobus za deljenje toka z adaptivno PI regulacijo. Autobus za deljenje toka, skozi edinstveno strukturno obliko, zagotavlja ravnotežen tok za vsako vzporedno vejico na fizični ravni. Na tej osnovi se adaptivni PI regulacijski algoritem dinamično nastavlja na gonilne signale posameznih naprav, glede na stvarno časovno spremljanje tokov vejic, kar omogoča bolj točno deljenje toka.

2.2 Hitra zaznava in prekinjanje napak
(1) Zaznava napak na osnovi napetosti vrati
Analiza značilnosti kratkih krmeljnic SiC MOSFET-ov razkriva, da med kratko zaprtjem hitro naraste napetost med izstopom in vhodom (VDS) na 900 V, medtem ko napetost na vrati značilno pada z naklonom, ki presega 10 V/ns. S tem značilnostjo se je zasnovala dvojna pragova komparatorja za hitro zaznavanje napak, s dvema tokoma pragovima: Ith1 = 500 A in Ith2 = 1,2 kA. Ko zaznani tok preseže Ith1, se sproži predhodna opozorila; presezanje Ith2 kaže na potrjeno kratko zaprtje. Zasnovana zaznavna vez in algoritem za obdelavo signalov dosežejo zakasnitev zaznavanja le 0,8 μs. Ta pristop preide kompleksno pretvorbo in obdelavo signalov tradicionalnih metod, s pomočjo lastnih električnih značilnosti SiC MOSFET-ov, kar znatno izboljša točnost zaznavanja napak.

(2) Večcelovno optimiziran pristop k prekinjanju
Za dosego visoko zmogljivih prekiniteljev pri tranzistorjih tranzistorja so postavljene funkcije ciljev, kot so čas prekinjanja (Δt), absorpcija energije (EMOV) in impulzni tok (Ipeak), optimizirane z uporabo algoritma multi-ciljnega rojenca čebel (MOPSO). Kraješi čas prekinjanja zagotavlja boljšo zaščito za opremo sistema; absorpcija energije vpliva na izbiro in življenjski čas zaščitnih komponent, kot so MOV-ji; preveliki impulzni tok povzroča veliko električno obremenitev, ki vpliva na normalno delovanje opreme.

Skupaj z večkratno optimizacijo MOPSO se določijo optimalni parametri: ograničevalni induktor LB = 15 μH in koeficient omejitve napetosti MOV-ja γ = 1,8. Z uporabo teh optimiziranih parametrov se čas prekinjanja zmanjša na 73,5 μs, največji tok pa je omejen na 526 A. Za vizualno prikazovanje učinka optimizacije se uporablja metoda TOPSIS za primerjavo rezultatov pred in po optimizaciji. Primerjava kaže znatne izboljšave ključnih kazalnikov, kot so čas prekinjanja, absorpcija energije in impulzni tok, kar znatno izboljša celotno zmogljivost in bolje zadostva praktičnim inženirskim zahtevam za hitro in zanesljivo prekinjanje tranzistorjev tranzistorja.

2.3 Zanesljivo strukturno oblikovanje
(1) Izolator s trajnim magnetom
Za izboljšanje zanesljivosti in stabilnosti tranzistorjev tranzistorja se zasnoval izolator s trajnim magnetom, ki uporablja bistabilni mehanizem trajnega magnetizma. V tej strukturi je sila za držanje pri zaprtju in odprtju predvsem zagotovljena z trajnimi magneti, z navijanjem bobnine samo trenutno med preklopi. To zmanjša porabo energije za približno 90 % v primerjavi s tradicionalnimi elektromagnetskimi izolatorji. Adamska dinamična simulacija kaže, da mehanski življenjski čas tega izolatorja s trajnim magnetom presega 1 milijon operacij, z hitrostjo ločevanja kontaktov 3 m/s. Visoka hitrost ločevanja kontaktov zagotavlja hitro prekinjanje krivulje pri pojavu napak, zmanjša verjetnost nastanka luka in izboljša sposobnost prekinitelja. Dolgi mehanski življenjski čas zagotavlja stabilno delovanje ob dolgotrajnem uporabljanju, zmanjša frekvenco vzdrževanja in zamenjave, kar zagotavlja močno podporo za učinkovito delovanje tranzistorja tranzistorja.

(2) Rešitev za upravljanje toplote
Za reševanje izzivov oddaljevanja toplote v dizajnu z visoko gostoto moči se predlaga kombinacija hlaščenja s parilom in prisilnega hlaščenja z zrakom. Hlaščenje s parilom izkorišča princip absorbiranja toplote s parilom tekočine, kar omogoča učinkovito prenašanje toplote v kompaktnih prostorih. Prisilno hlaščenje z zrakom dodatno izboljša oddaljevanje toplote z uporabo prisilne konvekcije, ki jo povzroča ventilator. Ta kombinirana metoda hlaščenja stabilizira temperaturo točk toplote modula pod 75 °C, s stopnjo narasta temperature manjše od 5 °C/min, kar ustrezata standardnim zahtevam.III. Eksperimentalna preverjanja

3 Eksperimentalna preverjanja

3.1 Parametri prototipa
Za preverjanje učinkovitosti ključnih tehnologij in načrtov oblikovanja je bil razvit prototip nizega napetostnega DC tranzistorja tranzistorja, z glavnimi parametri, ki so naslednji:

3.2 Rezultati tipiziranja

Na prototipu so bili izvedeni kompleksni testi tipiziranja za oceno, ali njegove zmogljivosti ustrezajo zahtevam za praktično uporabo:

(1) Test prekinjanja kratkih krmeljnic
Kratke krmeljnice so med najtežjimi vrstami napak v sistemih za napajanje, in ogromni trenutni tok, ki ga generirajo, predstavlja veliko grožnjo za delovanje opreme. Za simulacijo tega ekstremnega stanja je bil ustanovljen okvir za testiranje kratkih krmeljnic z 23 kA, ki predstavlja zahtevno izziv za tranzistor tranzistorja. Na začetku testa se je prototip hitro aktiviral, in njegova vgrajena tehnologija za hitro zaznavanje in prekinjanje napak je začela delovati. Ta tehnologija, skozi visoko točno spremljanje toka in hitri odzivni mehanizem, zazna nenormalni tok v zelo kratkem času in takoj sproži postopek prekinjanja.

Med prekinjanjem so testne osebe tesno spremljale zmogljivost prekinitelja, in skozi celoten postopek se ni zgodilo nobenega ponovnega zaznanja luka. Ta rezultat ne le dokazuje visoko učinkovitost tehnologije za hitro zaznavanje in prekinjanje napak, ampak tudi izpostavlja izjemno zmogljivost prekinitelja tranzistorja tranzistorja. V tradicionalnih prekiniteljih je ponovno zaznanje luka težko izogibljiva težava, ki pogosto vodi do sekundarnih napak ali celo težkih poškodb opreme. Na drugi strani je tranzistor tranzistorja uspešno izognil tej težavi z naprednimi tehnologijami prekinjanja, s tem zagotavljajuč močno podporo za stabilno delovanje sistemov za napajanje.

(2) Test narasta temperature
Toplotna zmogljivost je še en ključni faktor za oceno tranzistorjev tranzistorja. Za učinkovito oceno zmogljivosti oddaljevanja toplote opreme med dolgotrajnim delovanjem je bil izveden test narasta temperature. Prototip je bil zahtevan, da deluje neprekinjeno 24 ur, med katerimi je generiral značilen tok toplote [9]. Po testu so bile uporabljene senzorji temperature za merjenje temperature prototipa. Rezultati so pokazali narast temperature ΔT = 32 K. Ta podatki potrjujejo učinkovitost kombinirane metode hlaščenja s parilom in prisilnim hlaščenjem z zrakom. Z integracijo naravnega načina oddaljevanja toplote s parilom in prisilno konvekcijo z zrakom, sistem učinkovito oddaljuje toploto, ki se generira med delovanjem, z tem zagotavlja, da oprema ostane znotraj sprejemljivega temperaturnega obsega. Dobro upravljanje toplote ne le zagotavlja stabilno delovanje tranzistorja tranzistorja, ampak tudi podaljša njegov življenjski čas.

(3) Test življenjskega časa
Življenjski čas je ključni kazalnik za določanje, ali lahko tranzistor tranzistorja široko uporablja v realnih sistemih za napajanje. Zato, da bi preverili njegov življenjski čas, je bil prototip podvržen izkušnjama za obdobje enega milijona ciklov delovanja. Skozi celoten test so osebje tesno spremljali spremembe upornosti kontakta prototipa. Po testu je bila upornost kontakta meritve in ugotovljeno, da se je spremenila za manj kot 5 %. Ta rezultat potrjuje učinkovitost dolgoletnega oblikovanja izolatorja s trajnim magnetom. Tudi po dolgotrajnem in pogostem delovanju, kontakti izolatorja ohranjajo odlično vodljivost, z tem zagotavljajo zanesljivo delovanje vklopa/izklopa tranzistorja tranzistorja.

4 Zaključek
V skladu s tem, ta članek predstavlja tehnološko rešitev za nizega napetostnega DC tranzistorja tranzistorja, temelječo na globokem raziskovanju ključnih tehnologij, vključno z optimizacijo naprav s širokim pasom, pametnimi algoritmi za nadzor in oblikovanjem z visoko zanesljivostjo. Eksperimentalna preverjanja kažejo, da razviti prototip dosega vodilno zmogljivost v ključnih kazalnikih, kot so hitrost prekinjanja, točnost zaznavanja napak in življenjski čas delovanja.

Uspešno doseže hitro prekinjanje na ravni mikrosekund in življenjski čas enega milijona ciklov, s tem zagotavlja praktično in izvedljivo rešitev za zaščito v sistemih za distribucijo nove energije. Gledano naprej, obstaja mnogo obetavnih smeri raziskovanja za nizega napetostnega DC tranzistorja tranzistorja. Na primer, vzpostavitev integriranega modela simulacije na ravni naprave, embalaža in sistema bi lahko bolje simulirala zmogljivost tranzistorjev tranzistorja v različnih delovnih pogoji, s tem zagotavlja bolj točno teoretično podporo za optimizacijo oblikovanja.