Nyckeltekniker för lågspännings-DC fasta tillståndets strömbrytare

1 Tekniska utmaningar

1.1 Stabilitet vid parallellkoppling av enheter
I praktiska tillämpningar är strömförmågan för en enda kraftelktronisk enhet relativt begränsad. För att uppfylla krav på hög ström kopplas ofta flera enheter parallellt. Emellertid kan parametervariationer mellan enheter, som små skillnader i på-resistans och tröskelspänning, leda till ojämn strömfördelning under parallell drift. Under växlingsövergångar orsakar parasitinduktans och -kapacitans ytterligare inkonsekventa strömförändringstakt mellan de parallella enheterna, vilket förvärrar strömbalansproblemet. Om detta inte åtgärdas snabbt kan obalansen leda till att vissa enheter överhettas och misslyckas på grund av för hög ström, vilket minskar livslängden för den fasta tillståndsströmbrytaren.

1.2 Försening av felupptäckt
I DC-system skiljer sig felströmskarakteristiken markant från AC-system, eftersom det saknas nollgenomgångar som hjälper till med felupptäckt och avbrott. Detta kräver att fasta tillståndsströmbrytare använder mikrosekunds-nivå felupptäcktsalgoritmer för att exakt identifiera fel och svara snabbt. Traditionella metoder för felupptäckt har betydande förseningar när det gäller att hantera snabbt föränderliga DC-felströmmar, vilket gör dem otillräckliga för snabb skyddsfunktion.

1.3 Motstridighet mellan värmeavledning och volym
För att möta moderna kraftsystemens efterfrågan på hög effektdensitet måste designen av fasta tillståndsströmbrytare lyckas med att hantera större effekt inom begränsat utrymme. Men högre effektdensitet leder till en stark ökning av den genererade värmen från kraftelktroniska enheter. Otillräcklig värmeavledning orsakar för höga temperaturer, vilket försämrar enhetens prestanda och potentiellt kan utlösa termisk löpning och utrustningsmisslyckande. Konventionella kyltekniker fungerar dåligt för fasta tillståndsströmbrytare med hög effektdensitet. Även om vätskkylning kan förbättra värmeavledningsprestandan, ökar den utrustningens storlek och kostnad. Därför är hur man ska balansera effektiv kylning med rimlig volymkontroll – för att uppnå synergetisk optimering – fortfarande en viktig utmaning i designen av fasta tillståndsströmbrytare.

2 Nyckelteknikforskning

2.1 Tillämpningsteknik för bredbandsgap-enheter
(1) Val och packning av SiC MOSFET
Bland olika bredbandsgap-enheter erbjuder låg ledningsförlust SiC MOSFETer betydande fördelar. För att förbättra deras prestanda i flera enheters parallella tillämpningar används ett symmetriskt Direct Bonded Copper (DBC)-layout. Denna layout minskar effektivt parasitinduktans, vilket är viktigt för att förbättra enhetens växlingsegenskaper. Vid växling, särskilt vid avstängning, orsakar interaktionen mellan parasitinduktans och enhetskapacitans svängningar i portspänningen. Experimentella tester visar att med en symmetrisk DBC-layout kan portspänningsvibrationen vid avstängning kontrolleras till mindre än 5%. Detta förbättrar inte bara dynamisk stabilitet under parallell drift utan minskar också risken för enhetsskador orsakade av spänningsvibration.

(2) Dynamisk strömfördelningskontroll
För att bemöta utmaningen med strömobalans i parallella enheter introduceras en kontrollstrategi som kombinerar en strömdelningsbuss med adaptiv PI-reglering. Genom sin unika strukturella design ger strömdelningsbussen en jämnt fördelad strömpassage för varje parallell gren på fysisk nivå. På denna bas justerar en adaptiv PI-regleringsalgoritm dynamiskt drivsignalerna för varje enhet baserat på realtidsövervakning av grenströmmar, vilket ger mer exakt strömfördelningskontroll.

2.2 Snabb felupptäckt och avbrotts teknik
(1) Felupptäckt baserad på portspänning
Analys av SiC MOSFETs kortslutsegenskaper visar att under ett kortslutsfel ökar drain-source-spänningen (VDS) snabbt till 900 V samtidigt som portspänningen drastiskt sjunker med en lutning över 10 V/ns. Genom att utnyttja denna egenskap har en dubbeltröskels jämförare utformats för snabb felupptäckt, där två strömgränser är inställda: Ith1 = 500 A och Ith2 = 1,2 kA. När den uppmätta strömmen överskrider Ith1 utlöses en preliminär varning; om den överskrider Ith2 indikerar det ett bekräftat kortslutsfel. Den utformade upptäcktskretsen och signalbehandlingsalgoritmen uppnår en upptäcktsfördröjning på endast 0,8 μs. Denna metod undviker den komplexa signalkonverteringen och behandlingen hos traditionella metoder genom att utnyttja SiC MOSFETs inbyggda elektriska egenskaper, vilket förbättrar felupptäcktsprecisionen betydligt.

(2) Multiobjektiv optimerad avbrottsstrategi
För att uppnå högpresterande felavbrott i fasta tillståndsströmbrytare ställs avbrotts tid (Δt), energiabsorption (EMOV) och inrush-ström (Ipeak) in som målfunktioner, optimerade med hjälp av en multiobjektiv partikelsvärmoptimerings (MOPSO) algoritm. En kortare avbrotts tid ger bättre skydd för systemutrustning; energiabsorption påverkar valet och livslängden av skyddsdelar som MOV-er; för hög inrush-ström orsakar betydande elektrisk stress, vilket påverkar normal utrustningsdrift.

Genom flera iterationer av MOPSO-optimering fastställs optimala parametrar: strömbegränsande induktans LB = 15 μH och MOV-spänningsgränstillfaktor γ = 1,8. Med dessa optimerade parametrar minskas avbrotts tiden till 73,5 μs, och maximal ström begränsas till 526 A. För att visuellt demonstrera optimerings effekten jämför TOPSIS-beslutsmetoden resultaten innan och efter optimering. Jämförelsen visar betydande förbättringar av nyckelindikatorer som avbrotts tid, energiabsorption och inrush-ström, vilket stärker den totala prestandan och bättre uppfyller praktiska ingenjörsbehov för snabb och pålitlig avbrott av fasta tillståndsströmbrytare.

2.3 Design av högrelativitetsmekanisk struktur
(1) Permanent magnetisolatorswitch
För att förbättra tillförlitligheten och stabiliteten hos fasta tillståndsströmbrytare har en permanent magnetisolatorswitch med en bistabil permanent magnetmekanism utformats. I denna struktur ges hållkraften för stängning och öppning huvudsakligen av permanenta magneter, med spole energiserad endast kortvarigt under växlingsoperationer. Detta minskar energiförbrukningen med cirka 90% jämfört med traditionella elektromagnetiska isolatorswitchar. Adams dynamiska simulering analys visar att mekaniska livet för denna permanent magnetisolatorswitch överstiger 1 miljon operationer, med en kontaktseparationshastighet på 3 m/s. Den höga kontaktseparationshastigheten säkerställer snabb kretsavbrott vid fel, vilket minskar sannolikheten för bågar och förbättrar switchens avbrottsförmåga. Det långa mekaniska livet säkerställer stabil prestanda under lång användning, minskar underhålls- och byttefrekvens, vilket ger starkt stöd för den fasta tillståndsströmbrytarens effektiva drift.

(2) Värmeledningslösning
För att bemöta värmeledningsutmaningar i hög-effektdensitetsdesigner har en hybridkylning lösning som kombinerar fordunstningskylning med tvingad luftkylning föreslagits. Fordunstningskylning utnyttjar principen om vätskafordunstning absorberar värme, vilket möjliggör effektiv värmeöverföring inom kompakta utrymmen. Tvingad luftkylning förstärker ytterligare värmeledningen genom ventil-drivet tvingad konvektion. Denna hybridkylmetod stabiliserar modulens heta punkttemperatur under 75°C, med en temperaturstigande hastighet under 5°C/min, vilket uppfyller standardkraven.III. Experimentell verifiering

3 Experimentell verifiering

3.1 Prototypparametrar
För att verifiera effektiviteten av de viktigaste teknikerna och designschema har en prototyp av en lågspännings DC fasta tillståndsströmbrytare utvecklats, med de huvudsakliga parametrarna nedan:

3.2 Typprovresultat

Kompletta typprov genomfördes på prototypen för att utvärdera om dess prestanda uppfyller kraven för praktiska tillämpningar:

(1) Kortslutavsbrotningsprov
Kortslutfel är bland de allvarligaste feletyperna i kraftsystem, och den enorma momentana ström de genererar utgör en betydande hot mot utrustningsdrift. För att simuler