เทคโนโลยีหลักของตัวตัดวงจรกระแสตรงแรงดันต่ำแบบโซลิดสเตท

1 ความท้าทายทางเทคนิค

1.1 ความมั่นคงของการเชื่อมต่ออุปกรณ์แบบขนาน
ในการใช้งานจริง กำลังการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานเดี่ยวมีข้อจำกัด การเชื่อมต่ออุปกรณ์หลายตัวแบบขนานจึงเป็นวิธีที่ใช้เพื่อตอบสนองความต้องการกระแสไฟฟ้าสูง อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ระหว่างอุปกรณ์ เช่น ความแตกต่างเล็กน้อยในความต้านทานขณะเปิดและแรงดันเกณฑ์ อาจทำให้การกระจายกระแสไม่สม่ำเสมอในระหว่างการทำงานแบบขนาน ในช่วงการสลับสถานะ ความเหนี่ยวนำและประจุไฟฟ้าจำเพาะจะทำให้อัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสระหว่างอุปกรณ์ขนานไม่เท่ากัน ซึ่งทำให้ความไม่สมดุลของกระแสแย่ลง หากไม่ได้รับการแก้ไขอย่างรวดเร็ว ความไม่สมดุลนี้สามารถทำให้อุปกรณ์บางตัวเกิดความร้อนสูงและเสียหายจากการไหลของกระแสไฟฟ้ามากเกินไป ทำให้ลดอายุการใช้งานของวงจรตัดไฟแบบแข็ง

1.2 ความล่าช้าในการตรวจจับความผิดพลาด
ในระบบไฟฟ้ากระแสตรง ลักษณะของกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากความผิดพลาดแตกต่างจากระบบไฟฟ้ากระแสสลับอย่างมาก โดยขาดจุดศูนย์กลางที่ช่วยในการตรวจจับและการตัดความผิดพลาด ซึ่งต้องการให้วงจรตัดไฟแบบแข็งใช้ขั้นตอนการตรวจจับความผิดพลาดระดับไมโครวินาทีเพื่อระบุความผิดพลาดได้อย่างแม่นยำและตอบสนองอย่างรวดเร็ว วิธีการตรวจจับความผิดพลาดแบบดั้งเดิมมีความล่าช้าอย่างมากเมื่อต้องจัดการกับกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในระบบกระแสตรง ทำให้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการป้องกันอย่างรวดเร็วได้

1.3 ความขัดแย้งระหว่างการระบายความร้อนและความจุ
เพื่อตอบสนองความต้องการความหนาแน่นพลังงานสูงในระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ การออกแบบวงจรตัดไฟแบบแข็งต้องสามารถจัดการพลังงานสูงภายในพื้นที่ที่จำกัด แต่ความหนาแน่นพลังงานสูงทำให้ความร้อนที่สร้างโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก การระบายความร้อนที่ไม่เพียงพอทำให้อุณหภูมิสูงเกินไป ทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลงและอาจทำให้เกิดภาวะความร้อนสะสมและอุปกรณ์เสียหาย เทคนิคการระบายความร้อนแบบดั้งเดิมทำงานได้ไม่ดีกับวงจรตัดไฟแบบแข็งที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ในขณะที่การระบายความร้อนด้วยของเหลวสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน แต่ทำให้ขนาดและต้นทุนของอุปกรณ์เพิ่มขึ้น ดังนั้น การหาสมดุลระหว่างการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพกับการควบคุมขนาดที่เหมาะสม—เพื่อให้เกิดการปรับปรุงร่วมกัน—ยังคงเป็นความท้าทายสำคัญในการออกแบบวงจรตัดไฟแบบแข็ง

2 การวิจัยเทคโนโลยีหลัก

2.1 เทคโนโลยีการใช้อุปกรณ์แบนด์กว้าง
(1) การเลือกและบรรจุ SiC MOSFET
ในบรรดาอุปกรณ์แบนด์กว้างต่างๆ SiC MOSFET ที่มีการสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำมีข้อได้เปรียบอย่างมาก เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานแบบขนานหลายอุปกรณ์ ได้ใช้การวางแบบ DBC (Direct Bonded Copper) ที่สมมาตร ซึ่งช่วยลดความเหนี่ยวนำจำเพาะ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงคุณสมบัติการสลับสถานะของอุปกรณ์ ในระหว่างการสลับสถานะ โดยเฉพาะในการปิด ความสัมพันธ์ระหว่างความเหนี่ยวนำจำเพาะและความจุของอุปกรณ์ทำให้เกิดการแกว่งของแรงดันที่ประตู ผลทดสอบทดลองแสดงให้เห็นว่าด้วยการวางแบบ DBC ที่สมมาตร สามารถควบคุมการแกว่งของแรงดันที่ประตูในระหว่างการปิดให้น้อยกว่า 5% ซึ่งไม่เพียงแต่เพิ่มความมั่นคงทางไดนามิกในการทำงานแบบขนาน แต่ยังลดความเสี่ยงของความเสียหายของอุปกรณ์ที่เกิดจากการแกว่งของแรงดัน

(2) การควบคุมการแชร์กระแสแบบไดนามิก
เพื่อแก้ปัญหาการกระจายกระแสไม่สม่ำเสมอในอุปกรณ์ขนาน ได้นำเสนอกลยุทธ์การควบคุมที่รวมระหว่างบัสแชร์กระแสนั้นกับการควบคุม PI แบบปรับตัว บัสแชร์กระแส ผ่านการออกแบบโครงสร้างที่โดดเด่น ให้ทางเดินการกระจายกระแสที่สมดุลสำหรับแต่ละสาขาขนานในระดับกายภาพ บนพื้นฐานนี้ อัลกอริทึมการควบคุม PI แบบปรับตัวจะปรับสัญญาณขับเคลื่อนของแต่ละอุปกรณ์ตามการตรวจสอบกระแสสาขาในเวลาจริง ทำให้การควบคุมการแชร์กระแสแม่นยำมากขึ้น

2.2 เทคโนโลยีการตรวจจับและตัดความผิดพลาดอย่างรวดเร็ว
(1) การตรวจจับความผิดพลาดบนพื้นฐานของแรงดันประตู
การวิเคราะห์ลักษณะความผิดพลาดระยะสั้นของ SiC MOSFET พบว่า ระหว่างความผิดพลาดระยะสั้น แรงดันระหว่างขา-drain และ-source (VDS) เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วถึง 900V ในขณะที่แรงดันประตูลดลงอย่างมากด้วยความชันเกิน 10 V/ns ใช้ประโยชน์จากลักษณะนี้ ได้ออกแบบคอมเปร์เรเตอร์สองระดับเพื่อการตรวจจับความผิดพลาดอย่างรวดเร็ว กำหนดสองระดับกระแส: Ith1 = 500 A และ Ith2 = 1.2 kA เมื่อกระแสที่ตรวจพบเกิน Ith1 จะมีคำเตือนเบื้องต้น ถ้าเกิน Ith2 หมายความว่ามีความผิดพลาดระยะสั้นที่ยืนยันแล้ว วงจรตรวจจับและอัลกอริทึมการประมวลผลสัญญาณที่ออกแบบสามารถให้ความล่าช้าในการตรวจจับเพียง 0.8 μs วิธีการนี้หลีกเลี่ยงการแปลงและประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อนของวิธีการแบบดั้งเดิมโดยใช้ลักษณะไฟฟ้าที่มีอยู่ของ SiC MOSFET ทำให้เพิ่มความแม่นยำในการตรวจจับความผิดพลาดอย่างมาก

(2) กลยุทธ์การตัดความผิดพลาดที่ได้รับการปรับปรุงหลายเป้าหมาย
เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการตัดความผิดพลาดที่สูงในวงจรตัดไฟแบบแข็ง ได้กำหนดเวลาการตัดความผิดพลาด (Δt) การดูดซับพลังงาน (EMOV) และกระแสพุ่ง (Ipeak) เป็นฟังก์ชันเป้าหมาย ทำการปรับปรุงโดยใช้อัลกอริทึมการปรับปรุงแบบฝูงอนุภาคหลายเป้าหมาย (MOPSO) เวลาการตัดความผิดพลาดที่สั้นกว่าให้การป้องกันที่ดีขึ้นสำหรับอุปกรณ์ในระบบ การดูดซับพลังงานส่งผลต่อการเลือกและอายุการใช้งานของอุปกรณ์ป้องกันเช่น MOV กระแสพุ่งที่มากเกินไปทำให้เกิดความเครียดไฟฟ้าอย่างมาก ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของอุปกรณ์

ผ่านการปรับปรุง MOPSO หลายรอบ ได้พารามิเตอร์ที่เหมาะสม: ความเหนี่ยวนำ LB = 15 μH และสัมประสิทธิ์การจำกัดแรงดันของ MOV γ = 1.8 ด้วยพารามิเตอร์ที่ได้ปรับปรุง ทำให้เวลาการตัดความผิดพลาดลดลงเหลือ 73.5 μs และกระแสสูงสุดถูกจำกัดไว้ที่ 526 A เพื่อแสดงผลการปรับปรุงอย่างชัดเจน ใช้วิธีการตัดสินใจ TOPSIS ในการเปรียบเทียบผลก่อนและหลังการปรับปรุง ผลเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่ามีการปรับปรุงอย่างมากในตัวชี้วัดหลัก เช่น เวลาการตัดความผิดพลาด การดูดซับพลังงาน และกระแสพุ่ง ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมเพิ่มขึ้นและตอบสนองความต้องการในการตัดความผิดพลาดอย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้ของวงจรตัดไฟแบบแข็งในทางปฏิบัติได้ดียิ่งขึ้น

2.3 การออกแบบโครงสร้างเชิงกลที่มีความน่าเชื่อถือสูง
(1) สวิตช์แยกไฟฟ้าด้วยแม่เหล็กถาวร
เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือและความมั่นคงของวงจรตัดไฟแบบแข็ง ได้ออกแบบสวิตช์แยกไฟฟ้าด้วยแม่เหล็กถาวรที่ใช้กลไกแม่เหล็กถาวรแบบ bistable ในโครงสร้างนี้ แรงดันที่ใช้ในการปิดและเปิดสวิตช์ส่วนใหญ่มาจากแม่เหล็กถาวร ด้วยการให้พลังงานกับคอยล์เพียงช่วงเวลาสั้น ๆ ระหว่างการเปลี่ยนสถานะ ซึ่งลดการใช้พลังงานลงประมาณ 90% เมื่อเทียบกับสวิตช์แยกไฟฟ้าแบบแม่เหล็กไฟฟ้าดั้งเดิม การวิเคราะห์ Adams dynamic แสดงให้เห็นว่าสวิตช์แยกไฟฟ้าด้วยแม่เหล็กถาวรมีอายุการใช้งานเชิงกลเกิน 1 ล้านครั้ง ด้วยความเร็วการแยกติดต่อ 3 ม./วินาที ความเร็วการแยกติดต่อที่สูงทำให้มั่นใจได้ว่าจะตัดวงจรอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดความผิดพลาด ลดโอกาสการเกิดอาร์คไฟฟ้าและเพิ่มความสามารถในการตัดความผิดพลาดของสวิตช์ อายุการใช้งานเชิงกลที่ยาวนานทำให้ประสิทธิภาพคงที่ตลอดการใช้งาน ลดความถี่ในการบำรุงรักษาและเปลี่ยนทดแทน จึงให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการดำเนินงานที่มีประสิทธิภาพของวงจรตัดไฟแบบแข็ง

(2) โซลูชันการจัดการความร้อน
เพื่อแก้ปัญหาการระบายความร้อนในการออกแบบที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ได้เสนอโซลูชันการระบายความร้อนผสมผสานระหว่างการระบายความร้อนด้วยการระเหยและการระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ การระบายความร้อนด้วยการระเหยใช้หลักการการระเหยของของเหลวที่ดูดซับความร้อน ทำให้สามารถถ่ายโอนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพในพื้นที่ที่กะทัดรัด การระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับเสริมการระบายความร้อนผ่านการพาความร้อนด้วยลมที่ถูกขับเคลื่อนด้วยพัดลม วิธีการระบายความร้อนผสมผสานนี้ทำให้อุณหภูมิจุดร้อนของโมดูลคงที่อยู่ต่ำกว่า 75°C ด้วยอัตราการเพิ่มอุณหภูมิไม่เกิน 5°C/นาที ซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐานที่กำหนดIII. การตรวจสอบทดลอง

3 การตรวจสอบทดลอง

3.1 พารามิเตอร์ของต้นแบบ
เพื่อยืนยันความมีประสิทธิภาพของเทคโนโลยีหลักและการออกแบบ ได้พัฒนาต้นแบบของวงจรตัดไฟแบบแข็งสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำ ด้วยพารามิเตอร์หลักดังนี้:

3.2 ผลการทดสอบประเภท

ได้ทำการทดสอบประเภทที่ครอบคลุมต้นแบบเพื่อประเมินว่าประสิทธิภาพของต้นแบบนั้นตอบสนองความต้องการในการใช้งานจริง:

(1) การทดสอบการตัดความผิดพลาดระยะสั้น
ความผิดพลาดระยะสั้นเป็นหนึ่งในความผิดพลาดที่ร้ายแรงที่สุดในระบบไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ นี้เป็นภัยคุกคามอย่างมากต่อการดำเนินงานของอุปกรณ์ เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมที่รุนแรงนี้ ได้สร้างสภาพแวดล้อมทดสอบกระแสไฟฟ้าระยะสั้น 23 kA ซึ่งเป็นความท้าทายที่ยากลำบากสำหรับวงจรตัดไฟแบบแข็ง ที่เริ่มต้นของการทดสอบ ต้นแบบได้เริ่มทำงานอย่างรวดเร็ว และเทคโนโลยีการตรวจจับและตัดความผิดพลาดอย่างรวดเร็วที่ติดตั้งภายในได้เริ่มทำงาน ด้วยการตรวจสอบกระแสไฟฟ้าด้วยความแม่นยำสูงและกลไกตอบสนองอย่างรวดเร็ว ได้ตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติภายในระยะเวลาที่สั้นมาก และได้เริ่มกระบวนการตัดความผิดพลาดทันที

ระหว่างการตัดความผิดพลาด ผู้ทดสอบได้สังเกตการณ์ประสิทธิภาพของวงจรตัดไฟ ไม่มีการเกิดอาร์คไฟฟ้าใหม่เกิดขึ้นตลอดกระบวนการ ผลลัพธ์นี้ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพสูงของการตรวจจับและตัดความผิดพลาดอย่างรวดเร็ว แต่ยังเน้นย้ำถึงประสิทธิภาพในการตัดความผิดพลาดที่เหนือกว่าของวงจรตัดไฟแบบแข็ง ในวงจรตัดไฟแบบดั้งเดิม การเกิดอาร์คไฟฟ้าใหม่เป็นปัญหาที่หลีกเลี่ยงได้ยาก ซึ่งมักนำไปสู่ความผิดพลาดที่สองหรือความเสียหายอย่างรุนแรงต่ออุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม วงจรตัดไฟแบบแข็งสามารถหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้ด้วยเทคนิคการตัดความผิดพลาดที่ทันสมัย ทำให้ให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการดำเนินงานที่มั่นคงของระบบไฟฟ้า

(2) การทดสอบการเพิ่มอุณหภูมิ
ประสิทธิภาพทางความร้อนเป็นอีกปัจจัยสำคัญในการประเมินวงจรตัดไฟแบบแข็ง เพื่อประเมินความสามารถในการระบายความร้อนของอุปกรณ์ในระหว่างการดำเนินงานที่ยาวนาน ได้ทำการทดสอบการเพิ่มอุณหภูมิ ต้นแบบต้องทำงานต่อเนื่องเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ซึ่งมีความร้อนที่สร้างขึ้น [9] หลังจากทดสอบ ได้ใช้เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิเพื่อวัดอุณหภูมิของต้นแบบ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่ามีการเพิ่มอุณหภูมิ ΔT = 32 K ข้อมูลนี้ยืนยันถึงประสิทธิภาพของโซลูชันการระบายความร้อนผสมผสานระหว่างการระบายความร้อนด้วยการระเหยและการระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ โดยการรวมหลักการระบายความร้อนธรรมชาติจากการระเหยกับการพาความร้อนด้วยอากาศบังคับ ระบบสามารถระบายความร้อนที่สร้างขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้อุปกรณ์อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่ยอมรับได้ การจัดการความร้อนที่ดีไม่เพียงแต่ทำให้วงจรตัดไฟแบบแข็งทำงานอย่างมั่นคง แต่ยังยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

(3) การทดสอบอายุการใช้งาน
อายุการใช้งานเป็นตัวชี้วัดสำคัญในการกำหนดว่าวงจรตัดไฟแบบแข็งสามารถนำมาใช้ในระบบไฟฟ้าจริงได้หรือไม่ ดังนั้น เพื่อยืนยันประสิทธิภาพในการใช้งาน ต้นแบบได้ผ่านการทดสอบความทนทาน 1 ล้านรอบ ตลอดการทดสอบ ผู้ทดสอบได้เฝ้าระวังการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานติดต่อของต้นแบบ หลังจากทดสอบ ได้วัดความต้านทานติดต่อและพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า 5% ผลลัพธ์นี้ยืนยันถึงประสิทธิภาพของการออกแบบสวิตช์แยกไฟฟ้าด้วยแม่เหล็กถาวรที่มีอายุการใช้งานยาวนาน แม้ภายหลังการดำเนินงานที่ยาวนานและบ่อยครั้ง ติดต่อของสวิตช์ยังคงมีความนำไฟฟ้าที่ดี ทำให้สามารถทำงานเปิด-ปิดได้อย่างเชื่อถือได้ของวงจรตัดไฟแบบแข็ง

4 สรุป
สรุปแล้ว บทความนี้นำเสนอวิธีการทางเทคนิคสำหรับวงจรตัดไฟแบบแข็งสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำ โดยอาศัยการวิจัยอย่างลึกซึ้งในเทคโนโลยีหลัก รวมถึงการปรับปรุงอุปกรณ์แบนด์กว้าง อัลกอริทึมควบคุมอัจฉริยะ และการออกแบบโครงสร้างที่มีความน่าเชื่อถือสูง การตรวจสอบทดลองแสดงให้เห็นว่าต้นแบบที่พัฒนาขึ้นมีประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในตัวชี้วัดหลัก เช่น ความเร็วในการตัดความผิดพลาด ความแม่นยำในการตรวจจับความผิดพลาด และอายุการใช้งาน

ต้นแบบนี้สามารถทำให้การตัดความผิดพลาดในระดับไมโครวินาทีและมีอายุการใช้งาน 1 ล้านรอบ ทำให้เป็นวิธีการที่สามารถนำไปใช้ได้จริงและเป็นไปได้สำหรับการป้องกันในระบบกระจายพลังงานพลังงานใหม่ ดูอนาคต ยังมีทิศทางการวิจัยที่น่าสนใจมากมายสำหรับวงจรตัดไฟแบบแข็งสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำ ตัวอย่างเช่น การสร้างแบบจำลองการจำลองแบบครบวงจรในระดับอุปกรณ์ บรรจุภัณฑ์ และระบบ สามารถจำลองประสิทธิภาพของวงจรตัดไฟแบบแข็งภายใต้เงื่อนไขการดำเนินงานต่างๆ ได้อย่างครอบคลุม ทำให้ให้การสนับสนุนทางทฤษฎีที่แม่นยำมากขึ้นสำหรับการปรับปรุงการออกแบบ