Mga Pangunahing Teknolohiya ng Mababang Boltahe na DC Solid-State Circuit Breakers
1 Mga Teknikal na Hamon
1.1 Estabilidad ng Pagkakasunod-sunod ng mga Device
Sa aktwal na aplikasyon, ang kakayahan ng isang solong power electronic device sa pagdala ng kuryente ay may limitasyon. Upang matugunan ang mataas na pangangailangan sa kuryente, madalas na konektado ang maraming device sa pamamagitan ng pagkakasunod-sunod. Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba ng mga parameter sa pagitan ng mga device—tulad ng kaunting pagkakaiba sa on-resistance at threshold voltage—maaaring magresulta sa hindi pantay na distribusyon ng kuryente sa panahon ng operasyon ng pagkakasunod-sunod. Sa panahon ng switching transients, ang parasitiko na inductance at capacitance ay lalo pa ring nagpapataas ng hindi pantay na rate ng pagbabago ng kuryente sa pagitan ng mga parallel na device, na nagpapalubha ng pagkakaiba-iba ng kuryente. Kung hindi ito agad na nasolusyunan, ang pagkakaiba-iba na ito maaaring magresulta sa sobrang init at pagkasira ng ilang mga device dahil sa labis na kuryente, na siyang nagpapababa ng serbisyo ng solid-state circuit breaker.
1.2 Pagkaantala sa Pagsusuri ng Sakuna
Sa DC system, ang mga katangian ng fault current ay lubhang naiiba mula sa AC system, na walang zero-crossing points na tumutulong sa pagsusuri at paghihiwalay ng sakuna. Ito ay nangangailangan ng solid-state circuit breakers na gumamit ng microsecond-level fault detection algorithms upang mapagtanto nang tama ang mga sakuna at mabilis na sumagot. Ang mga tradisyunal na paraan ng pagsusuri ng sakuna ay may malaking pagkaantala sa pagtugon sa mabilis na pagbabago ng DC fault currents, kaya hindi sila nakakatugon sa pangangailangan ng mabilis na proteksyon.
1.3 Kontradiksyon sa Pagitan ng Paggamit ng Init at Bolyum
Upang matugunan ang pangangailangan ng modernong power systems sa mataas na power density, ang disenyo ng solid-state circuit breakers ay kailangang makamit ang mas mataas na kapangyarihan sa limitadong espasyo. Gayunpaman, ang mas mataas na power density ay nagreresulta sa malubhang pagtaas ng init na ginagawa ng mga power electronic device. Ang hindi sapat na paggamit ng init ay nagdudulot ng labis na temperatura, na nagpapababa ng performance ng device at maaaring mag-trigger ng thermal runaway at pagkasira ng equipment. Ang mga tradisyunal na teknik sa paggamit ng init ay hindi epektibo sa high-power-density solid-state breakers. Habang ang liquid cooling ay maaaring mapabuti ang epektibidad ng paggamit ng init, ito ay nagpapataas ng laki at gastos ng equipment. Kaya, paano balansehin ang epektibong paggamit ng init kasama ang maaring kontrol sa bolyum—na nagpapataas ng synergistic optimization—ay nananatiling pangunahing hamon sa disenyo ng solid-state circuit breaker.
2 Key Technology Research
2.1 Wide-Bandgap Device Application Technology
(1) SiC MOSFET Selection and Packaging
Sa iba't ibang wide-bandgap devices, ang low-conduction-loss SiC MOSFETs ay may malaking mga abilidad. Upang mapabuti ang kanilang performance sa multi-device parallel applications, isinasagawa ang symmetrical Direct Bonded Copper (DBC) layout. Ang layout na ito ay epektibong nagbabawas ng parasitic inductance, na mahalaga para sa pagpapabuti ng mga karakteristik ng switching ng device. Sa panahon ng switching, lalo na sa turn-off, ang interaksiyon sa pagitan ng parasitic inductance at device capacitance ay nagdudulot ng gate voltage oscillation. Ang mga eksperimental na pagsusuri ay nagpapakita na sa may symmetrical DBC layout, ang gate voltage oscillation sa panahon ng turn-off ay maaaring kontrolin hanggang sa 5% lamang. Ito ay hindi lamang nagpapabuti ng dynamic stability sa panahon ng operasyon ng parallel kundi nagbabawas din ng panganib ng pagkasira ng device dahil sa voltage oscillation.
(2) Dynamic Current Sharing Control
Upang tugunan ang hamon ng pagkakaiba-iba ng kuryente sa mga parallel na device, isinasagawa ang control strategy na naglalaman ng current-sharing bus at adaptive PI regulation. Ang current-sharing bus, sa pamamagitan ng unique structural design, ay nagbibigay ng balanced current distribution path para sa bawat parallel branch sa pisikal na antas. Sa pundamentong ito, ang adaptive PI regulation algorithm ay nag-aadjust dinamically ng drive signals ng bawat device batay sa real-time monitoring ng branch currents, na nagpapabuti ng mas precise na current sharing control.
2.2 Mabilis na Pagsusuri at Paghihiwalay ng Sakuna
(1) Fault Detection Batay sa Gate Voltage
Ang analisis ng short-circuit characteristics ng SiC MOSFET ay nagpapakita na sa panahon ng short-circuit fault, ang drain-source voltage (VDS) ay mabilis na umuusbong hanggang 900V habang ang gate voltage ay malaking bumababa na may slope na higit sa 10 V/ns. Sa pamamagitan ng paggamit ng katangiang ito, isinasaayos ang dual-threshold comparator para sa mabilis na pagsusuri ng sakuna, na may dalawang current thresholds: Ith1 = 500 A at Ith2 = 1.2 kA. Kapag ang natukoy na kuryente ay lumampas sa Ith1, isinasagawa ang preliminary warning; lumampas sa Ith2 ay nagpapatunay ng confirmed short-circuit fault. Ang isinasaayos na detection circuit at signal processing algorithm ay nagpapabuti ng detection delay hanggang 0.8 μs lamang. Ang paraan na ito ay nag-iwas sa komplikadong signal conversion at processing ng mga tradisyunal na paraan sa pamamagitan ng paggamit ng inherent electrical characteristics ng SiC MOSFET, na nagpapabuti ng accuracy ng pagsusuri ng sakuna.
(2) Multi-Objective Optimized Interruption Strategy
Upang makamit ang high-performance fault interruption sa solid-state circuit breakers, ang interruption time (Δt), energy absorption (EMOV), at inrush current (Ipeak) ay itinatakda bilang objective functions, na i-optimize gamit ang multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm. Ang mas maikling interruption time ay nagbibigay ng mas mabuting proteksyon para sa system equipment; ang energy absorption ay nakakaapekto sa pagpili at lifespan ng protective components tulad ng MOVs; ang labis na inrush current ay nagdudulot ng malaking electrical stress, na nakakaapekto sa normal na operasyon ng equipment.
Sa pamamagitan ng maraming iterasyon ng MOPSO optimization, natukoy ang optimal parameters: current-limiting inductor LB = 15 μH at MOV voltage-limiting coefficient γ = 1.8. Gamit ang mga optimized parameters, ang interruption time ay nabawasan hanggang 73.5 μs, at ang maximum current ay limited hanggang 526 A. Upang visual na ipakita ang epekto ng optimization, ang TOPSIS decision-making method ay nag-uulat ng resulta bago at pagkatapos ng optimization. Ang paghahambing ay nagpapakita ng malaking pag-unlad sa mga key indicators tulad ng interruption time, energy absorption, at inrush current, na nagpapabuti ng overall performance at mas mabubuting tugunan ang praktikal na engineering requirements para sa mabilis at reliable interruption ng solid-state circuit breakers.
2.3 High-Reliability Mechanical Structure Design
(1) Permanent Magnet Isolator Switch
Upang mapabuti ang reliability at estabilidad ng solid-state circuit breakers, isinasaayos ang permanent magnet isolator switch na gumagamit ng bistable permanent magnet mechanism. Sa structure na ito, ang holding force para sa closing at opening ay pangunahing ibinibigay ng permanent magnets, at ang coil ay energized lamang sandali sa panahon ng switching operations. Ito ay nagbawas ng power consumption ng humigit-kumulang 90% kumpara sa traditional electromagnetic isolator switches. Ang Adams dynamic simulation analysis ay nagpapakita na ang mechanical life ng permanent magnet isolator switch ay lumalampas sa 1 million operations, na may contact separation speed na 3 m/s. Ang mataas na contact separation speed ay nagse-secure ng mabilis na disconnection ng circuit sa panahon ng fault occurrence, na nagbabawas ng posibilidad ng arc generation at nagpapabuti ng interruption capability ng switch. Ang mahabang mechanical life ay nagpapasecure ng stable performance sa mahabang paggamit, na nagbabawas ng frequency ng maintenance at replacement, kaya nagbibigay ng malakas na suporta para sa efficient operation ng solid-state circuit breaker.
(2) Thermal Management Solution
Upang tugunan ang mga hamon sa paggamit ng init sa high-power-density designs, isinasagawa ang hybrid cooling solution na naglalaman ng evaporative cooling at forced air cooling. Ang evaporative cooling ay gumagamit ng principle ng liquid evaporation na nag-absorb ng init, na nagpapabuti ng efficient heat transfer sa compact spaces. Ang forced air cooling ay nagpapataas pa ng paggamit ng init sa pamamagitan ng fan-driven forced convection. Ang hybrid cooling method na ito ay nag-stabilize ng module's hotspot temperature sa ibaba ng 75°C, na may temperature rise rate na mas mababa sa 5°C/min, na sumasang-ayon sa standard requirements.III. Experimental Verification
3 Experimental Verification
3.1 Prototype Parameters
Upang patunayan ang epektividad ng mga key technologies at design schemes, isinagawa ang prototype ng low-voltage DC solid-state circuit breaker, na may mga pangunahing parameters na sumusunod:
3.2 Type Test Results
Ang komprehensibong type tests ay isinagawa sa prototype upang i-evaluate kung ang performance nito ay sumasang-ayon sa mga pangangailangan para sa praktikal na aplikasyon:
(1) Short-Circuit Interruption Test
Ang short-circuit faults ay isa sa mga pinakamahirap na uri ng sakuna sa power systems, at ang malaking instantaneous current na ginagawa nito ay nagdadala ng malaking banta sa operasyon ng equipment. Upang simularin ang extreme condition na ito, isinagawa ang 23 kA short-circuit current test environment—na nagbibigay ng rigorous challenge para sa solid-state circuit breaker. Sa simula ng test, ang prototype ay mabilis na aktibado, at ang built-in fast fault detection at interruption technology nito ay nagsimula ng function. Ang teknolohiya na ito, sa pamamagitan ng high-precision current monitoring at rapid response mechanism, ay natukoy ang abnormal current sa napakamabilis na oras at agad na trigger ang interruption process.
Sa panahon ng interruption, ang mga test personnel ay mabuti na obserbahan ang performance ng breaker, at walang arc re-ignition na nangyari sa buong proseso. Ang resulta na ito ay hindi lamang nagpapakita ng mataas na epektividad ng fast fault detection at interruption technology kundi nagbibigay rin ng superior interruption performance ng solid-state circuit breaker. Sa mga traditional circuit breakers, ang arc re-ignition ay isang problema na mahirap iwasan at madalas nagdudulot ng secondary faults o kahit na severe equipment damage. Sa kabaligtaran, ang solid-state circuit breaker ay matagumpay na iwasan ang problema na ito sa pamamagitan ng advanced interruption techniques, kaya nagbibigay ng malakas na suporta para sa stable operation ng power systems.
(2) Temperature Rise Test
Ang thermal performance ay isa pang mahalagang factor sa pag-evaluate ng solid-state circuit breakers. Upang epektibong i-assess ang kakayahan ng device sa paggamit ng init sa mahabang operasyon, isinagawa ang temperature rise test. Ang prototype ay kinailangang mag-operate nang patuloy para sa 24 oras, kung saan malaking init ang ginawa [9]. Pagkatapos ng test, ang temperature sensors ay ginamit upang sukatin ang temperatura ng prototype. Ang resulta ay nagpakita ng temperature rise na ΔT = 32 K. Ang data na ito ay nagpapatunay ng epektividad ng hybrid cooling solution na naglalaman ng evaporative cooling at forced air cooling. Sa pamamagitan ng natural heat dissipation principle ng evaporative cooling at forced convection ng forced air cooling, ang sistema ay epektibong nagdidisipate ng init na ginawa sa panahon ng operasyon, na nagse-secure ng device na nasa acceptable temperature range. Ang mabuting thermal management hindi lamang nagse-secure ng stable operation ng solid-state circuit breaker kundi nagpapahaba rin ng service life nito.
(3) Lifetime Test
Ang service life ay isang critical indicator para matukoy kung ang solid-state circuit breaker ay maaaring malaganap na gamitin sa tunay na power systems. Kaya, upang patunayan ang lifespan performance, ang prototype ay dumaan sa endurance test ng one million operational cycles. Sa buong test, ang mga personnel ay mabuti na obserbahan ang mga pagbabago sa contact resistance ng prototype. Pagkatapos ng test, ang contact resistance ay iminasure at natukoy na ang pagbabago nito ay mas mababa sa 5%. Ang resulta na ito ay nagpapatunay ng epektividad ng long-life design ng permanent magnet isolator switch. Kahit na matagal at mabilis na operasyon, ang switch contacts ay nagmamantain ng excellent conductivity, na nagse-secure ng reliable on/off functionality ng solid-state circuit breaker.
4 Kaklusan
Sa kabuuan, ang paper na ito ay nagpapakita ng technical solution para sa low-voltage DC solid-state circuit breakers batay sa malalim na pag-aaral ng mga key technologies, kabilang ang optimization ng wide-bandgap devices, intelligent control algorithms, at high-reliability structural design. Ang experimental validation ay nagpapakita na ang developed prototype ay nakakamit ng leading performance sa mga key indicators tulad ng interruption speed, fault detection accuracy, at operational lifespan.
Nagtagumpay ito sa microsecond-level fast interruption at million-cycle operational life, na nagbibigay ng practical at feasible solution para sa proteksyon sa new energy power distribution systems. Sa hinaharap, marami pang promising na direksyon ng pag-aaral para sa low-voltage DC solid-state circuit breakers. Halimbawa, ang pag-establish ng device-packaging-system level integrated simulation model ay maaaring mas komprehensibong simularin ang performance ng solid-state circuit breakers sa iba't ibang operating conditions, na nagbibigay ng mas accurate na theoretical support para sa design optimization.
