Düşük Gerilimli DC Katı Hal Kesici Anahtarlarının Temel Teknolojileri

1 Teknik Zorluklar

1.1 Cihaz Paralellizasyonunun İstikrarı
Pratik uygulamalarda, tek bir güç elektronik cihazının taşıma kapasitesi nispeten sınırlıdır. Yüksek akım gereksinimlerini karşılamak için genellikle birden fazla cihaz paralel olarak bağlanır. Ancak, cihazlar arasındaki parametre farklılıkları—örneğin, açık direnç ve eşiğin küçük farklılıkları—paralel işlem sırasında dengesiz akım dağılımına neden olabilir. Anahtarlama geçişleri sırasında, parazit indüktans ve kapasitans paralel cihazlar arasında tutarsız akım değişim oranlarına yol açarak akım dengesizliğini daha da artırır. Bu dengesizlik zamanında ele alınmazsa, bazı cihazlar aşırı akımdan dolayı aşırı ısınabilir ve başarısız olabilir, bu da katı hal devre kesicinin ömrünü kısaltır.

1.2 Arıza Tespit Gecikmesi
Direk akım sistemlerinde, arıza akımı özellikleri alternatif akım sistemlerinden önemli ölçüde farklıdır ve arıza tespiti ve kesintisi yardımcı olan sıfır geçiş noktaları eksiktir. Bu, katı hal devre kesicilerinin mikrosaniye düzeyinde arıza tespit algoritmalarını kullanarak arıza tespitini doğru bir şekilde gerçekleştirmeleri ve hızlı bir şekilde tepki vermeleri gerektiği anlamına gelir. Geleneksel arıza tespit yöntemleri, hızlı değişen DC arıza akımlarıyla başa çıkmada önemli gecikmelere sahiptir, bu nedenle hızlı koruma taleplerini karşılayamaz.

1.3 Isı Çıkarma ile Hacim Arasındaki Çelişki
Modern güç sistemlerinin yüksek güç yoğunluğu taleplerini karşılamak için, katı hal devre kesici tasarımlarının sınırlı bir alanda daha fazla güç işleme yeteneği kazanması gerekir. Ancak, daha yüksek güç yoğunluğu, güç elektronik cihazları tarafından üretilen ısıda keskin bir artışa neden olur. Yetersiz ısı çıkarma, cihaz performansını düşürür ve potansiyel olarak termal kaçış ve ekipman başarısızlığını tetikleyebilir. Geleneksel soğutma teknikleri, yüksek güç yoğunluğu katı hal devre kesicileriyle iyi performans göstermez. Sıvı soğutma, ısı çıkarma verimliliğini artırabilir, ancak ekipman boyutunu ve maliyetini artırır. Bu nedenle, etkili soğutmayı makul hacim kontrolüyle nasıl dengeleyeceğine dair—birlikte optimize edilebilen—katı hal devre kesici tasarımında hala ana zorluktur.

2 Ana Teknoloji Araştırması

2.1 Geniş Bant Aralıklı Cihaz Uygulama Teknolojisi
(1) SiC MOSFET Seçimi ve Paketleme
Birden fazla geniş bant aralıklı cihaz arasında, düşük iletken kayıp SiC MOSFET'ler önemli avantajlar sunar. Çoklu cihaz paralel uygulamalarındaki performanslarını artırmak için simetrik Doğrudan Bağlı Bakır (DBC) düzeni benimsenmiştir. Bu düzenleme, özellikle cihazların anahtarlanma karakteristiklerini iyileştirmede kritik olan parazit endüktansı etkili bir şekilde azaltır. Anahtarlama sırasında, özellikle kapalı olduğunda, parazit endüktans ile cihaz kapasitansı arasındaki etkileşim kapı voltajında salınımlara neden olur. Deneysel testler, simetrik DBC düzeni ile kapalı durumda kapı voltaj salınımlarının %5'in altında kontrol edilebileceğini göstermiştir. Bu, paralel işlem sırasında dinamik istikrarı geliştirir ve aynı zamanda voltaj salınımlarından kaynaklanan cihaz hasar riskini azaltır.

(2) Dinamik Akım Paylaşımı Kontrolü
Paralel cihazlardaki akım dengesizliği zorluğunu çözmek için, akım paylaşımı otobüsü ile adaptif PI düzenleme kombinasyonu içeren bir kontrol stratejisi tanıtılmıştır. Akım paylaşımı otobüsü, benzersiz yapısal tasarımı ile her bir paralel şube için fiziksel düzeyde dengeli bir akım dağıtım yolu sağlar. Bu temel üzerine, adaptif PI düzenleme algoritması, dal akımlarının gerçek zamanlı izlenmesine dayalı olarak her bir cihazın sürücü sinyallerini dinamik olarak ayarlar, daha hassas akım paylaşımı kontrolü elde eder.

2.2 Hızlı Arıza Tespiti ve Kesinti Teknolojisi
(1) Kapı Voltajına Dayalı Arıza Tespiti
SiC MOSFET kısa devre karakteristiklerinin analizi, kısa devre hatası sırasında draın-kaynak voltajı (VDS) hızla 900 V'ye yükseldiğini ve kapı voltajının 10 V/ns'ye varan eğimle önemli ölçüde düştüğünü göstermektedir. Bu özelliği kullanarak, hızlı arıza tespiti için çift eşikli bir karşılaştırıcı tasarlanmıştır, Ith1 = 500 A ve Ith2 = 1.2 kA olarak iki akım eşik değeri belirlenmiştir. Algılanan akım Ith1'i aşarsa, ön uyarı tetiklenir; Ith2'yi aşarsa, kısa devre hatası doğrulanır. Tasarlanan algılama devresi ve sinyal işleme algoritması sadece 0.8 μs gecikme ile arıza tespiti sağlar. Bu yaklaşım, geleneksel yöntemlerin karmaşık sinyal dönüştürme ve işleme işlemlerini atlayarak, SiC MOSFET'in doğal elektriksel özelliklerini kullanarak arıza tespit doğruluğunu önemli ölçüde artırır.

(2) Çok Amaçlı Optimizasyonlu Kesinti Stratejisi
Katı hal devre kesicilerinde yüksek performanslı arıza kesintisi sağlamak için, kesinti süresi (Δt), enerji emilimi (EMOV) ve ani akım (Ipeak) hedef fonksiyonları olarak belirlenmiş ve çok amaçlı parçacık sürü optimizasyon (MOPSO) algoritması kullanılarak optimize edilmiştir. Kısa kesinti süresi, sistem ekipmanları için daha iyi koruma sağlar; enerji emilimi, MOV gibi koruma bileşenlerinin seçimi ve ömrünü etkiler; aşırı ani akım, normal ekipman işlevini etkileyen önemli elektrik stresine neden olur.

MOPSO optimizasyonunun birçok iterasyonu sonucunda, optimal parametreler belirlenmiştir: akım kısıtlama endüktörü LB = 15 μH ve MOV voltaj kısıtlama katsayısı γ = 1.8. Bu optimize edilmiş parametreler kullanılarak, kesinti süresi 73.5 μs'ye ve maksimum akım 526 A'ya indirgenmiştir. Optimizasyon etkisinin görsel olarak gösterilmesi için TOPSIS karar alma yöntemi, optimizasyondan önce ve sonra sonuçları karşılaştırır. Karşılaştırma, kesinti süresi, enerji emilimi ve ani akım gibi ana göstergelerde önemli iyileştirmelerin olduğunu gösterir, bu da genel performansı büyük ölçüde artırır ve katı hal devre kesicileri tarafından hızlı ve güvenilir kesinti için pratik mühendislik gerekliliklerini daha iyi karşılamaya yardımcı olur.

2.3 Yüksek Güvenilirlikli Mekanik Yapı Tasarımı
(1) Kalıcı Manyetik Ayırıcı Anahtar
Katı hal devre kesicilerinin güvenilirliğini ve istikrarını artırmak için, kalıcı manyetik mekanizmayı kullanan bir kalıcı manyetik ayırıcı anahtar tasarlanmıştır. Bu yapıda, kapalı ve açık tutma gücü çoğunlukla kalıcı manyetikler tarafından sağlanır, bobin sadece anahtarlanma işlemlerinde kısa süreliğine enerji alır. Bu, geleneksel elektromanyetik ayırıcı anahtarlarına kıyasla yaklaşık %90 güç tüketimini azaltır. Adams dinamik simülasyon analizi, bu kalıcı manyetik ayırıcı anahtarın mekanik ömrünün 1 milyon operasyonu aşacağını, temas ayrılma hızının 3 m/s olduğunu göstermiştir. Yüksek temas ayrılma hızı, arıza oluştuğunda hızlı devre kesilmesini sağlar, yay oluşturma olasılığını azaltır ve anahtarın kesinti yeteneğini artırır. Uzun mekanik ömür, uzun kullanım süresinde istikrarlı performans sağlar, bakım ve değiştirme sıklığını azaltır, bu da katı hal devre kesicinin verimli çalışmasını güçlü bir şekilde destekler.

(2) Isı Yönetimi Çözümü
Yüksek güç yoğunluğu tasarımlarındaki ısı çıkarma zorluklarını çözmek için, buharlaşma soğutmasını ve zorlanmış hava soğutmasını birleştiren bir hibrit soğutma çözümü önerilmiştir. Buharlaşma soğutması, sıvının buharlaşmasıyla ısı emilim prensibini kullanarak, kompakt alanlarda etkili ısı aktarımını sağlar. Zorlanmış hava soğutması, fan ile zorlanmış konveksiyon ile ısı çıkarmayı daha da artırır. Bu hibrit soğutma yöntemi, modülün sıcak nokta sıcaklığını 75°C'nin altına sabitler, sıcaklık artış hızını 5°C/dk'nin altında tutar, standart gereksinimleri karşılar.III. Deneysel Doğrulama

3 Deneysel Doğrulama

3.1 Prototip Parametreleri
Ana teknolojilerin ve tasarım şemalarının etkinliğini doğrulamak için, düşük gerilimli DC katı hal devre kesicisi prototipi geliştirilmiştir, ana parametreleri şu şekildedir:

3.2 Tip Test Sonuçları

Prototip üzerinde kapsamlı tip testleri, performansının pratik uygulamalar için gereksinimleri karşılayıp karşılamadığını değerlendirmek üzere gerçekleştirilmiştir:

(1) Kısa Devre Kesinti Testi
Kısa devre arızaları, güç sistemlerinde en ciddi arıza tiplerinden biridir ve oluşturdukları anlık büyük akım, ekipman işlemlerine önemli bir tehdit oluşturur. Bu aşırı koşulları simüle etmek için, 23 kA kısa devre akımı test ortamı oluşturulmuştur—katı hal devre kesicisi için sert bir zorluk. Testin başında, prototip hızla aktive olmuş ve içerdiği hızlı arıza tespit ve kesinti teknolojisi çalışmaya başlamıştır. Bu teknoloji, yüksek hassasiyetli akım izlemesi ve hızlı tepki mekanizması ile, anormal akımı çok kısa bir sürede tespit etmiş ve hemen kesinti sürecini başlatmıştır.

Kesinti sırasında, test personeli kesicinin performansını yakından gözlemledi ve süreç boyunca hiçbir ark yeniden ateşlenmesi meydana gelmedi. Bu sonuç, hızlı arıza tespit ve kesinti teknolojisinin yüksek etkinliğini göstermekle kalmaz, aynı zamanda katı hal devre kesicisinin üstün kesinti performansını da vurgular. Geleneksel devre kesicilerinde, ark yeniden ateşlenmesi sık karşılaşılan bir sorundur ve genellikle ikincil arızalara veya ciddi ekipman hasarına neden olur. Bunun aksine, katı hal devre kesicisi, gelişmiş kesinti teknikleri sayesinde bu sorunu başarıyla önler, bu da güç sistemlerinin istikrarlı çalışmasını güçlü bir şekilde destekler.

(2) Sıcaklık Artışı Testi
Termal performans, katı hal devre kesicilerinin değerlendirilmesinde başka bir kilit faktördür. Uzun süreli işlem sırasında cihazın ısı çıkarma yeteneğini etkili bir şekilde değerlendirmek için, sıcaklık artışı testi gerçekleştirilmiştir. Prototipin 24 saat boyunca sürekli çalışması gerekmekteydi, bu süre zarfında önemli miktarda ısı üretildi [9]. Testin ardından, sıcaklık sensörleri kullanılarak prototipin sıcaklığı ölçülerek ΔT = 32 K'lık bir sıcaklık artışı tespit edilmiştir. Bu veri, buharlaşma soğutmanın ve zorlanmış hava soğutmanın birleştirildiği hibrit soğutma çözümünün etkinliğini doğrular. Buharlaşma soğutmasının doğal ısı çıkarma prensibi ile zorlanmış hava soğutmasının zorlanmış konveksiyonu birleştirilerek, sistem işlem sırasında üretilen ısıyı etkili bir şekilde çıkarır, cihazın kabul edilebilir bir sıcaklık aralığı içinde kalmasını sağlar. İyi termal yönetim, katı hal devre kesicisinin istikrarlı çalışmasını sağlar ve aynı zamanda ömrünü uzatır.

(3) Ömür Testi
Hizmet ömrü, katı hal devre kesicisinin gerçek güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılabilir olup olmadığını belirlemede kritik bir göstergedir. Bu nedenle, ömür performansını doğrulamak için, prototip bir milyon işlem döngüsü sürdürebilme testine tabi tutulmuştur. Test süresince, personel prototipin temas direncindeki değişimleri yakından izledi. Testten sonra, temas direnci ölçülerek ve %5'ten az bir değişim olduğu tespit edildi. Bu sonuç, kalıcı manyetik ayırıcı anahtarı tasarımının uzun ömürlü tasarımının etkinliğini doğrular. Uzun ve sık işlemlerden sonra bile, anahtar temasları mükemmel iletkenliğe sahip kalır, katı hal devre kesicisinin güvenilir açma/kapama işlevini sağlar.

4 Sonuç
Özetle, bu makale, geniş bant aralıklı cihazların optimizasyonu, akıllı kontrol algoritmaları ve yüksek güvenilirlikli yapısal tasarım dahil olmak üzere ana teknolojiler üzerine derinlemesine araştırma temelinde düşük gerilimli DC katı hal devre kesicileri için bir teknik çözüm sunmaktadır. Deneysel doğrulama, geliştirilen prototipin kesinti hızı, arıza tespit doğruluğu ve işletim ömrü gibi kilit göstergelerde önde giden performans elde ettiğini göstermektedir.

Bu, mikrosaniye düzeyinde hızlı kesinti ve bir milyon döngülü işletme ömrünü başarıyla gerçekleştirmiştir, yeni enerji güç dağıtım sistemlerinde koruma için uygulanabilir ve uygun bir çözüm sunmaktadır. Gelecekte, düşük gerilimli DC katı hal devre kesicileri için birçok vaat edici araştırma yönü bulunmaktadır. Örneğin, cihaz-paket-sistem düzeyinde entegre bir simülasyon modeli kurmak, katı hal devre kesicilerinin çeşitli çalışma koşulları altında performansını daha kapsamlı bir şekilde simüle edebilir, bu da tasarım optimizasyonu için daha doğru teorik destek sağlayabilir.