Ključne tehnologije niskonaponskih DC čvrstotropskih prekidača

1 Tehnički Izazovi

1.1 Stabilnost Paralelnog Povezivanja Uređaja
U praktičnim primenama, nosivost struje pojedinačnog elektronskog uređaja je relativno ograničena. Da bi se ispunili zahtevi za velike struje, često se više uređaja povezuje paralelno. Međutim, varijacije parametara između uređaja, kao što su neznatne razlike u otpornosti pri provođenju i pragu napona, mogu dovesti do neravnomernog raspodele struje tijekom paralelnog rada. Tijekom prelaznih stanja, parazitna induktivnost i kapacitet dodatno dovode do nekonzistentnih stopa promjene struje među paralelnim uređajima, otežavajući neravnomernost struje. Ako se to ne reši odmah, ova neravnomernost može uzrokovati da određeni uređaji pregreju i otkazuju zbog prevelike struje, smanjujući životnu vreme pečatane prekidnice.

1.2 Kašnjenje Detekcije Greške
U DC sistemima, karakteristike struje greške značajno se razlikuju od AC sistema, nedostaju tačke nulte preseka koje pomažu u detekciji i prekidu greške. To zahteva da pečatane prekidnice koriste algoritme detekcije grešaka na mikrosekundnom nivou kako bi precizno identificirale greške i brzo reagirale. Tradicionalne metode detekcije grešaka imaju značajna kašnjenja kada se bave brzim promjenama DC struje greške, čime ne mogu ispuniti zahtjeve za brzu zaštitu.

1.3 Kontradikcija Između Odspremanja Tople i Zapremine
Da bi se ispunili zahtjevi modernih električnih sistema za visoku gustinu snage, dizajn pečatane prekidnice mora postići veću sposobnost rukovanja snagom unutar ograničenog prostora. Međutim, veća gustoća snage dovodi do oštre porasle generisane toplote elektronskih uređaja. Nedovoljno odspremanje toplote dovodi do prekomjernih temperatura, degradiranja performansi uređaja i potencijalno pokretanja termalne progresije i otkaza opreme. Konvencionalne tehnike hlađenja loše funkcioniraju sa pečatanim prekidnicama visoke gustoće snage. Dok hlađenje tekućinom može poboljšati efikasnost odspremanja toplote, povećava veličinu i cenu opreme. Stoga, kako uskladiti efikasno hlađenje s razumnom kontrolom zapremine - postizanjem sinergijske optimizacije - ostaje ključni izazov u dizajnu pečatanih prekidnica.

2 Istraživanje Ključnih Tehnologija

2.1 Tehnologija Primjene Širokospektralnih Uređaja
(1) Izbor i Pakiranje SiC MOSFET-a
Među različitim širokospektralnim uređajima, SiC MOSFET-ovi s niskim gubitcima provođenja nude značajne prednosti. Za poboljšanje njihove performanse u primjenama s više uređaja paralelno, koristi se simetričan raspored Direct Bonded Copper (DBC). Ovaj raspored efektivno smanjuje parazitnu induktivnost, što je ključno za poboljšanje karakteristika preklapanja uređaja. Tijekom preklapanja, posebno prilikom isključivanja, interakcija između parazitne induktivnosti i kapaciteta uređaja dovodi do oscilacija napona na vrati. Eksperimentalni testovi pokazuju da simetričnim rasporedom DBC oscilacije napona na vrati tijekom isključivanja mogu biti kontrolirane na manje od 5%. To ne samo poboljšava dinamičku stabilnost tijekom paralelnog rada, već smanjuje i rizik od oštećenja uređaja zbog oscilacija napona.

(2) Kontrola Dinamičkog Raspoređivanja Struje
Za rešavanje problema neravnomerne raspodele struje u paralelnim uređajima, uvodi se strategija kontrole koja kombinuje bus za deljenje struje sa adaptivnom PI regulacijom. Bus za deljenje struje, putem jedinstvenog strukturnog dizajna, pruža ravnomeran put distribucije struje za svaki paralelni granac na fizičkom nivou. Na osnovu toga, adaptivni PI regulator algoritam dinamički prilagođava upravljačke signale svakog uređaja na osnovu stvarnog praćenja struja grana, ostvarujući precizniju kontrolu deljenja struje.

2.2 Brza Tehnologija Detekcije i Prekida Greške
(1) Detekcija Greške Bazirana na Naponu Vrata
Analiza karakteristika kraćeg spoja SiC MOSFET-a pokazuje da tokom kraćeg spoja, napon između drajna i izvoda (VDS) brzo skoči na 900V, dok napon na vrati značajno pada sa nagibom preko 10 V/ns. Koristeći ovu karakteristiku, dizajnira se dvostruki prag komparatora za brzu detekciju greške, postavljajući dva pragova struje: Ith1 = 500 A i Ith2 = 1.2 kA. Kada detektovana struja premaši Ith1, aktivira se predupozorenje; premašivanje Ith2 označava potvrđenu grešku kraćeg spoja. Dizajnirani detekcijski krug i algoritam obrade signala dostižu kašnjenje detekcije od samo 0.8 μs. Ovaj pristup preskače složenu konverziju i obradu signala tradicionalnih metoda, koristeći inhereentne električne karakteristike SiC MOSFET-a, značajno poboljšavajući preciznost detekcije greške.

(2) Optimizirana Strategija Prekida sa Više Ciljeva
Za postizanje visokoperformantnog prekida greške u pečatanim prekidnicama, vrijeme prekida (Δt), apsorpcija energije (EMOV) i struja talasa (Ipeak) postavljaju se kao funkcije cilja, optimizirane koristeći algoritam optimizacije rojeva čestica s više ciljeva (MOPSO). Kraće vrijeme prekida pruža bolju zaštitu opreme sistema; apsorpcija energije utječe na odabir i životni vijek zaštitnih komponenti poput MOV-ova; prekomjerna struja talasa dovodi do značajnog električnog stresa, utječeći na normalnu operaciju opreme.

Kroz više iteracija MOPSO optimizacije, određeni su optimalni parametri: induktor ograničenja struje LB = 15 μH i koeficijent ograničenja napona MOV-ova γ = 1.8. Koristeći ove optimizirane parametre, vrijeme prekida smanjeno je na 73.5 μs, a maksimalna struja ograničena na 526 A. Da bi vizualno prikazano učinak optimizacije, metodom donošenja odluka TOPSIS upoređuju se rezultati prije i poslije optimizacije. Uporedba pokazuje značajne poboljšanja ključnih indikatora, poput vremena prekida, apsorpcije energije i struje talasa, značajno poboljšavajući ukupnu performansu i bolje ispunjavajući praktične inženjerske zahtjeve za brzim i pouzdanim prekidom pečatanih prekidnica.

2.3 Dizajn Visoko Pouzdane Mehaničke Strukture
(1) Prekidnik s Trajnim Magnetom
Za poboljšanje pouzdanosti i stabilnosti pečatanih prekidnica, dizajniran je prekidnik s trajnim magnetom koji koristi dvostabilan mehanizam trajnog magneta. U ovoj strukturi, sila zadržavanja za zatvaranje i otvaranje uglavnom se pruža trajnim magnetima, dok se bobina energizira samo trenutno tijekom operacija preklapanja. To smanjuje potrošnju energije približno za 90% u odnosu na tradicionalne elektromagnetske prekidnike. Analiza Adams dinamičkog simuliranja pokazuje da životni vijek ovog prekidnika s trajnim magnetom premašuje 1 milion radnji, s brzinom separacije kontakata od 3 m/s. Visoka brzina separacije kontakata osigurava brzi prekid kruga pri pojavljivanju greške, smanjujući vjerojatnost nastanka lukove i poboljšavajući sposobnost prekida prekidnika. Dugi životni vijek osigurava stabilnu performansu tijekom dugotrajnog korištenja, smanjujući frekvenciju održavanja i zamjene, tako pružajući snažnu podršku učinkovitoj operaciji pečatane prekidnice.

(2) Rješenje Upravljanja Toplom
Za rješavanje izazova odspremanja toplote u dizajnima visoke gustoće snage, predlaže se hibridno rješenje hlađenja koje kombinuje isparivačko hlađenje s prisilnim zračnim hlađenjem. Isparivačko hlađenje koristi princip isparavanja tekućine koji apsorbira toplinu, omogućavajući učinkovitu prenos toplote unutar kompaktnih prostora. Prisilno zračno hlađenje dalje poboljšava odspremanje toplote putem prisilne konvekcije pokrenute ventilatorima. Ova hibridna metoda hlađenja stabilizira temperaturu točke topline modula ispod 75°C, s stopom porasta temperature manjom od 5°C/min, ispunjavajući standardne zahtjeve.III. Eksperimentalna Verifikacija

3 Eksperimentalna Verifikacija

3.1 Parametri Prototipa
Za verifikaciju učinkovitosti ključnih tehnologija i dizajnskih shema, razvijen je prototip niskonaponske DC pečatane prekidnice, s glavnim parametrima sljedećim:

3.2 Rezultati Tip Testa

Na prototipu su provedeni kompleksni tip testovi kako bi se procijenilo da li njegova performansa zadovoljava zahtjeve za praktičnom primjenom:

(1) Test Prekida Kraćeg Spoja
Kraći spoj je jedan od najtežih tipova grešaka u električnim sistemima, a ogromna trenutna struja koju generiše predstavlja značajan opasnost za rad opreme. Da bi se simulirao ovaj ekstremni uslov, stvorena je okolina za testiranje kraćeg spoja od 23 kA - postavljajući rigorozan izazov za pečatanu prekidnicu. Na početku testa, prototip brzo se aktivirao, a njegova ugrađena brza tehnologija detekcije i prekida greške počela je da funkcioniše. Ova tehnologija, putem visokopreciznog praćenja struje i brzog mehanizma reagiranja, detektirala je anormalnu struju u izuzetno kratkom vremenu i odmah pokrenula proces prekida.

Tijekom prekida, osoblje testa pažljivo je pratilo performansu prekidnice, a tokom cijelog procesa nije se pojavio ponovni zapaljivanje luke. Ovaj rezultat ne samo demonstrira visoku učinkovitost brze tehnologije detekcije i prekida greške, već ističe i izvanrednu sposobnost prekida pečatane prekidnice. U tradicionalnim prekidnicama, ponovno zapaljivanje luke je teško izbegnuti problem koji često dovodi do sekundarnih grešaka ili čak ozbiljnog oštećenja opreme. U suprotnom, pečatana prekidnica uspješno izbjegava ovaj problem kroz napredne tehnologije prekida, pružajući snažnu podršku stabilnom radu električnih sistema.

(2) Test Porasta Temperature
Termalna performansa je još jedan ključni faktor u procjeni pečatanih prekidnica. Da bi se efikasno procijenila sposobnost odspremanja toplote tijekom dugotrajnog rada, proveden je test porasta temperature. Prototip je trebao neprekidno raditi 24 sata, tijekom kojih je generirana značajna toplina [9]. Nakon testa, senzori temperature koristeni su za mjerenje temperature prototipa. Rezultati su pokazali porast temperature ΔT = 32 K. Ovi podaci potvrđuju učinkovitost hibridnog rješenja hlađenja koje kombinira isparivačko hlađenje i prisilno zračno hlađenje. Integrisanjem prirodnog principa odspremanja toplote isparivačkim hlađenjem s prisilnom konvekcijom prisilnog zračnog hlađenja, sustav učinkovito odsprem