Vitambulisho vya Mbinu ya Umeme wa Kiwango Cha Chini DC za Circuit Breakers ya State ya Kijamii

1 Changamoto za Kitaalam

1.1 Ustawi wa Kutumia Vifaa Pamoja
Kwenye matumizi ya kweli, uwezo wa kubeba umeme wa vifaa moja ya elektroniki ya nguvu ni chache sana. Ili kushiriki umeme mkubwa, mara nyingi vifaa mengi huunganishwa pamoja. Lakini, tofauti katika vipimo kati ya vifaa—kama vile tofauti ndogo za upimaji wa kutoka na kitufe cha mwisho—yanaweza kusababisha ushirikiano wasiwasi wa umeme wakati wa kutumia pamoja. Wakati wa mabadiliko ya kutumia, inductance na capacitance zenye asili zinaweza kuongeza tofauti ya mabadiliko ya umeme kati ya vifaa vilivyotumika pamoja, kuboresha ushawishi wa umeme. Ikiwa haijatibika haraka, huu ushawishi unaweza kusababisha baadhi ya vifaa kukosa kutokana na umeme mkubwa, kudumu kwa muda mfupi wa kivuli chake.

1.2 Muda wa Ukosefu wa Tofauti
Kwenye mifumo ya DC, vipengele vya umeme wa ukosefu vya DC vina tofauti kubwa na vya AC, hakuna pointi za zero-crossing ambazo zinaweza kusaidia kutambua na kutumia ukosefu. Hii linahitaji kivuli chake cha circuit solid-state kutumia miswadi ya kutambua ukosefu ya microseconds ili kufafanulia kwa uhakika ukosefu na kukutana kwa haraka. Miswadi ya zamani za kutambua ukosefu yanapata muda wa kutangaza sana wakati wanatumia umeme wa ukosefu wa DC unaobadilika kwa haraka, kudumu si kunywesha maombi ya utambulisho wa haraka.

1.3 Mshikano wa Kutondoka Moto na Umbo
Ili kupata malengo ya nguvu ya kutosha kwa mifumo ya nguvu ya zamani, muundo wa kivuli chake cha circuit solid-state lazima atoe nguvu zaidi katika nchi chache. Lakini, ustawi wa nguvu wa juu unaweza kusababisha ongezeko la moto ulioambukizwa na vifaa vya elektroniki ya nguvu. Kutondoka moto chache kinaweza kusababisha joto la juu, kutendeka viwango vya kifaa na kuleta kuzibakia na kusoma vifaa. Vyombo vya kutondoka moto vya zamani vinavyotumika vinaonekana duni na kivuli chake cha circuit solid-state wa nguvu ya juu. Ingawa kutondoka moto kwa maji linaweza kuboresha ufanisi wa kutondoka moto, linaloongeza umbo na gharama. Hivyo, jinsi ya kutengeneza kutondoka moto kwa ufanisi na kudhibiti umbo kwa undani—kufanya ubora wa pamoja—bado ni changamoto muhimu katika muundo wa kivuli chake cha circuit solid-state.

2 Utafiti wa Teknolojia Muhimu

2.1 Teknolojia ya Matumizi ya Vifaa vya Bandwidth-Width
(1) Chaguo na Packaging ya SiC MOSFET
Kati ya vifaa vya bandgap-mrefu, SiC MOSFET vya upimaji chache yanatoa faida nyingi. Ili kupunguza ufanyikazi wake katika matumizi ya vifaa vingine, muundo wa Direct Bonded Copper (DBC) usio sawa unatumika. Muundo huu unaweza kupunguza inductance zenye asili, ambayo ni muhimu kwa kutengeneza mipaka ya kutumia vifaa. Wakati wa kutumia, hasa wakati wa kutumia mwishoni, mzunguko kati ya inductance zenye asili na capacitance ya kifaa huchangia mzunguko wa kitufe cha gate. Mazoezi yanashuhudia kuwa na muundo wa DBC usio sawa, mzunguko wa kitufe cha gate wakati wa kutumia mwishoni unaweza kukontrolwa chini ya 5%. Hii inaweza kuboresha ustawi wa haraka wakati wa kutumia pamoja na kupunguza hatari ya kifaa kukosa kutokana na mzunguko wa volti.

(2) Mikakati ya Kutegemea na Mabadiliko ya Umeme
Ili kutatua changamoto ya ushawishi wa umeme kati ya vifaa vilivyotumika pamoja, mikakati ya kutegemea na mabadiliko ya PI yenye ubunifu imetumika. Busi ya kutegemea na umeme, kwa muundo wa kiunduni, inatoa njia ya ushirikiano wa umeme kwa kila shirika la parallel kwa kiwango cha kimazingira. Kulingana na hii, algorithimu wa PI yenye ubunifu unabadilisha ishara za kutumia kwa kila kifaa kulingana na uchunguzi wa muda wa umeme, kuboresha ufanisi wa kutegemea na umeme.

2.2 Teknolojia ya Kutambua na Kutumia Ukosefu Haraka
(1) Kutambua Ukosefu Kubwa kwa Volti ya Gate
Tathmini ya vipengele vya ukosefu wa SiC MOSFET inashuhudia kuwa wakati wa ukosefu wa short-circuit, volti ya drain-source (VDS) inasonga haraka hadi 900V na volti ya gate inapungua na mteremko wa juu zaidi ya 10 V/ns. Kutumia sifa hii, comparator wa dual-threshold imeundwa kwa kutambua ukosefu haraka, kuanzisha vipimaji vya current: Ith1 = 500 A na Ith2 = 1.2 kA. Waktu current iliyopatakuwa zaidi ya Ith1, tahadhari ya mapema itatolewa; zaidi ya Ith2 inashuhudia ukosefu wa short-circuit uliyothibitishwa. Circuit iliyoundwa na algorithmu ya kutengeneza ishara yanaleta muda wa kutambua tu wa 0.8 μs. Njia hii hutengeneza mabadiliko ya ishara na kutengeneza ishara za zamani kwa kutumia sifa za kiwango cha SiC MOSFET, kuboresha ufanisi wa kutambua ukosefu.

(2) Mikakati ya Kutumia Ukosefu Inayotenganishwa Na Maombi Mingi
Ili kutengeneza ufanisi wa kutumia ukosefu kwa kivuli chake cha circuit solid-state, muda wa kutumia ukosefu (Δt), energy absorption (EMOV), na inrush current (Ipeak) imeundwa kama objective functions, inayotenganishwa kwa kutumia multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm. Muda wa kutumia ukosefu mfupi anaweza kutoa usalama bora kwa vifaa vya system; energy absorption huchangia chaguo na muda wa vifaa vya protection kama vile MOVs; inrush current mkubwa unaweza kusababisha stress ya electrikali mkubwa, kudumu kwa muda wa kifaa.

Kwa kutumia muda wa MOPSO optimization, parameta zilizotengenezwa ni: inductor wa current-limiting LB = 15 μH na coefficient wa MOV voltage-limiting γ = 1.8. Kutumia parameta hizi zilizotengenezwa, muda wa kutumia ukosefu umepunguza hadi 73.5 μs, na current ikiwa mkubwa imepunguza hadi 526 A. Kujaribu kuonyesha mafanikio ya optimization, TOPSIS decision-making method inapambana na matokeo kabla na baada ya optimization. Pambana hii inashuhudia mabadiliko makubwa katika indicators muhimu kama vile muda wa kutumia ukosefu, energy absorption, na inrush current, kuboresha ustawi wa pamoja na kufanya kwa undani zaidi maombi ya engineering ya kutosha kwa kutumia ukosefu haraka na thabiti na kivuli chake cha circuit solid-state.

2.3 Muundo wa Kimataifa wa Uaminifu
(1) Switch ya Isolator ya Magnet Permanent
Ili kuboresha uaminifu na ustawi wa kivuli chake cha circuit solid-state, switch ya isolator ya magnet permanent imeundwa kwa kutumia mekanisumu wa bistable magnet permanent. Katika muundo huu, nguvu ya kudumu kwa kutumia na kutumia ni inapatikana kwa magnets permanent, na coil imeamsha tu muda mfupi wakati wa kutumia. Hii inapunguza matumizi ya nguvu kwa karibu 90% kilingana na switches za electromagnetic za zamani. Adams dynamic simulation analysis inashuhudia kuwa muda wa kimataifa wa switch ya isolator ya magnet permanent hii unazidi milioni moja, na kasi ya contact separation ni 3 m/s. Kasi ya contact separation inaweza kusaidia kutumia haraka ukosefu, kupunguza uwezo wa arc generation na kuboresha ufanisi wa kutumia ukosefu. Muda wa kimataifa umefanya kifaa kuwa stable kwa muda mrefu, kupunguza mara ya huduma na kubadilisha, kuboresha support kwa kutosha kwa kivuli chake cha circuit solid-state.

(2) Suluhisho la Kutondoka Moto
Ili kutatua changamoto za kutondoka moto kwa designs za nguvu ya juu, suluhisho la hybrid cooling limeundwa kwa kutumia evaporation cooling na forced air cooling. Evaporation cooling hutumia principle ya liquid evaporation kutokana na heat, kuboresha uhamjamvi wa heat kwa nchi chache. Forced air cooling inaweza kuboresha kutondoka moto kwa kutumia forced convection kwa kutumia fan. Suluhisho hili la hybrid cooling linastabiliza hotspot temperature ya module chini ya 75°C, na rate ya temperature rise chini ya 5°C/min, kufuata standard requirements.III. Experimental Verification

3 Thibitisho la Majaribio

3.1 Parameta za Prototype
Ili kuthibitisha ufanisi wa teknolojia muhimu na mikakati ya muundo, prototype ya kivuli chake cha circuit solid-state cha DC chenye nguvu chache imeundwa, na parameta muhimu kama ifuatavyo:

3.2 Matokeo ya Test ya Type

Test za type kamili zimefanyika kwa prototype ili kutathmini ikiwa performance yake inafanana na maombi ya matumizi ya kweli:

(1) Test ya Kutumia Ukosefu wa Short-Circuit
Ukosefu wa short-circuit ni moja ya aina za ukosefu zinazokuwa na athari sana katika mifumo ya nguvu, na current instantanea mkubwa anayotokana na hii anaweza kuwa na hatari kubwa kwa matumizi ya vifaa. Ili kufanikiwa kwa hali hii ya wingi, test ya 23 kA short-circuit current environment imeundwa—kutoa changamoto ngumu kwa kivuli chake cha circuit solid-state. Wakati wa kuanzia test, prototype ilianza haraka, na teknolojia yake ya kutambua na kutumia ukosefu haraka ilianza kufanya kazi. Teknolojia hii, kwa kutumia monitoring ya current na mechanism ya kutokana, ilihitaji muda mfupi tu kutambua current isiyofaa na kutumia process ya kutumia ukosefu haraka.

Wakati wa kutumia ukosefu, watu walikuwa wakionyesha kwa undani performance ya breaker, na hakukuwa na arc re-ignition wakati wa process. Matokeo haya yanashuhudia ufanisi wa teknolojia ya kutambua na kutumia ukosefu haraka na kuboresha performance ya kutumia ukosefu kwa kivuli chake cha circuit solid-state. Katika breakers za zamani, arc re-ignition ni changamoto ngumu kuyatibu ambayo mara nyingi huchangia secondary faults au kusoma vifaa. Ingawa, kivuli chake cha circuit solid-state kilipata kuelekea changamoto hii kwa kutumia teknolojia za kutumia ukosefu za kisasa, kuboresha support kwa kutosha kwa matumizi ya mifumo ya nguvu.

(2) Test ya Temperature Rise
Performance ya joto ni moja ya indicators muhimu katika kutathmini kivuli chake cha circuit solid-state. Ili kutathmini ufanisi wa kutondoka moto kwa muda mrefu, test ya temperature rise imefanyika. Ilitelekezwa kwa prototype kutumia tume kwa muda wa 24 saa, wakati ambapo moto mkubwa alikuwa anaambukiza [9]. Baada ya test, sensors za temperature zilitumika kutathmini temperature ya prototype. Matokeo yalijulisha temperature rise ya ΔT = 32 K. Data hii inathibitisha ufanisi wa suluhisho la hybrid cooling la evaporation cooling na forced air cooling. Kwa kutumia principle ya natural heat dissipation ya evaporation cooling na forced convection ya forced air cooling, system inaweza kutondoka moto unaoambukiza wakati wa kutumia, kuhakikisha kifaa kipo kwenye temperature range inayofaa. Uaminifu wa thermal management inaweza kuboresha matumizi ya kivuli chake cha circuit solid-state na kuboresha muda wa kutumia.

(3) Test ya Muda wa Kutumia
Muda wa kutumia ni indicator muhimu kwa kutathmini ikiwa kivuli chake cha circuit solid-state inaweza kutumika kwa muda mrefu katika mifumo halisi. Kwa hiyo, ili kutathmini performance ya muda wake, prototype ilikuwa na endurance test ya million operational cycles. Wakiwa wakionyesha mabadiliko ya resistance ya contact ya prototype. Baada ya test, resistance ya contact ilithibitishwa kuwa imebadilika chini ya 5%. Matokeo haya yanathibitisha ufanisi wa muundo wa muda mrefu wa switch ya isolator ya magnet permanent. Hata baada ya kutumia kwa muda mrefu na mara nyingi, contacts za switch zinaweza kuwa na conductivity nzuri, kuhakikisha matumizi ya kivuli chake cha circuit solid-state.

4 Malizia
Nyumba, rasilimali hii inatoa suluhisho la teknolojia kwa kivuli chake cha circuit solid-state cha DC chenye nguvu chache kwa kutumia utafiti wa teknolojia muhimu, kama vile optimization ya vifaa vya bandgap-mrefu, algorithms za control za ubunifu, na muundo wa uaminifu. Thibitisho la majaribio linaonyesha kuwa prototype iliyoundwa imefikia ufanisi wa juu kwenye indicators muhimu kama vile muda wa kutumia ukosefu, uaminifu wa kutambua ukosefu, na muda wa kutumia.

Imefanikiwa kutumia ukosefu haraka kwa microseconds na muda wa kutumia wa million-cycle, kutoa suluhisho la halisi na la kutosha kwa protection kwa mifumo ya distribution ya nguvu ya zamani. Angalia mbele, kuna njia nyingi za utafiti ya kivuli chake cha circuit solid-state cha DC chenye nguvu chache. Kwa mfano, kutengeneza model ya simulation integrated ya level device-packaging-system inaweza kutengeneza performance ya kivuli chake cha circuit solid-state zaidi, kuboresha theoretical support kwa optimization ya muundo.