کم وولٹیج ڈی سی سولڈ اسٹیٹ سرکٹ بریکرز کی بنیادی تکنالوجیاں

1 فنکاری تکنیکی

1.1 استحکام موازی سازی دستگاه
در کاربردهای عملی، ظرفیت جریان برق یک دستگاه الکترونیک قدرت معمولاً محدود است. برای پاسخگویی به نیازهای جریان بالا، اغلب چندین دستگاه را به صورت موازی متصل می‌کنند. با این حال، تغییرات پارامتری بین دستگاه‌ها—مانند تفاوت‌های جزئی در مقاومت روشن و ولتاژ آستانه—می‌تواند منجر به توزیع نامساوی جریان در حالت موازی شود. در طول ترانزیشن‌های سوئیچینگ، اندازه‌گیری‌های پارازیتی و خازنی باعث تغییر نامتقارن نرخ جریان بین دستگاه‌های موازی می‌شوند و این عدم توازن را تشدید می‌کنند. اگر این عدم توازن به موقع حل نشود، می‌تواند باعث سرمازدگی و خرابی برخی دستگاه‌ها به دلیل جریان بیش از حد شود و در نتیجه عمر مدار قطع‌کننده جامد را کاهش دهد.

1.2 تأخیر تشخیص خطا
در سیستم‌های DC، مشخصات جریان خطا به طور قابل توجهی با سیستم‌های AC متفاوت است و نقاط عبور از صفری که در تشخیص و قطع خطا کمک می‌کنند وجود ندارند. این موضوع نیازمند استفاده از الگوریتم‌های تشخیص خطا در سطح میکروثانیه برای تشخیص دقیق خطا و واکنش سریع است. روش‌های تشخیص خطا متعارف با تأخیر قابل توجهی در مواجهه با جریان‌های خطا DC که به سرعت تغییر می‌کنند، مواجه می‌شوند و قادر به پاسخگویی به نیازهای حفاظت سریع نیستند.

1.3 تضاد بین تبدیل حرارت و حجم
برای پاسخگویی به نیاز سیستم‌های قدرت مدرن برای چگالی قدرت بالا، طراحی قطع‌کننده‌های جامد باید در فضای محدود بیشتر قدرت را مدیریت کند. با این حال، چگالی قدرت بالاتر منجر به افزایش تند در تولید حرارت توسط دستگاه‌های الکترونیک قدرت می‌شود. تبدیل حرارت ناکافی باعث دمای بیش از حد می‌شود که عملکرد دستگاه را تضعیف می‌کند و ممکن است حرارت زیاد و خرابی تجهیزات را ایجاد کند. تکنیک‌های خنک‌سازی متعارف با قطع‌کننده‌های جامد با چگالی قدرت بالا عملکرد ضعیفی دارند. در حالی که خنک‌سازی مایع می‌تواند کارایی تبدیل حرارت را بهبود بخشد، این کار اندازه و هزینه تجهیزات را افزایش می‌دهد. بنابراین، چگونگی تعادل بین خنک‌سازی کارآمد و کنترل حجم مناسب—با دستیابی به بهینه‌سازی همکاری—چالش کلیدی در طراحی قطع‌کننده‌های جامد باقی می‌ماند.

2 تحقیق فناوری کلیدی

2.1 فناوری کاربرد دستگاه‌های با پهنای باند گسترده
(1) انتخاب و بسته‌بندی SiC MOSFET
در میان دستگاه‌های مختلف با پهنای باند گسترده، SiC MOSFET با افت کم از دستگاه‌های قدرت مزایای قابل توجهی دارد. برای بهبود عملکرد آن‌ها در کاربردهای موازی چند دستگاهی، یک طرح DBC (Direct Bonded Copper) متقارن استفاده می‌شود. این طرح به طور موثری اندازه‌گیری پارازیتی را کاهش می‌دهد که برای بهبود مشخصات سوئیچینگ دستگاه حیاتی است. در طول سوئیچینگ، به ویژه در زمان خاموش شدن، برهمکنش بین اندازه‌گیری پارازیتی و خازن دستگاه باعث نوسان ولتاژ گیت می‌شود. آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهد که با طرح DBC متقارن، نوسان ولتاژ گیت در زمان خاموش شدن می‌تواند کمتر از 5% کنترل شود. این نه تنها پایداری دینامیکی در حالت موازی را بهبود می‌بخشد بلکه خطر آسیب دستگاه ناشی از نوسان ولتاژ را نیز کاهش می‌دهد.

(2) کنترل تقسیم جریان دینامیکی
برای مقابله با چالش عدم توازن جریان در دستگاه‌های موازی، یک استراتژی کنترلی که ترکیبی از اتوبوس تقسیم جریان و تنظیم PI تطبیقی است معرفی شده است. اتوبوس تقسیم جریان، از طریق طراحی ساختاری منحصر به فرد، مسیر توزیع جریان متعادل برای هر شاخه موازی در سطح فیزیکی فراهم می‌کند. بر این اساس، الگوریتم تنظیم PI تطبیقی سیگنال‌های رانش هر دستگاه را بر اساس نظارت زنده بر جریان شاخه‌ها به طور دینامیکی تنظیم می‌کند و کنترل دقیق‌تر تقسیم جریان را ایجاد می‌کند.

2.2 فناوری تشخیص و قطع خطا با سرعت بالا
(1) تشخیص خطا بر اساس ولتاژ گیت
تحلیل مشخصات کوتاه شدن SiC MOSFET نشان می‌دهد که در طول خطا کوتاه شدن، ولتاژ drain-source (VDS) به سرعت به 900V افزایش می‌یابد در حالی که ولتاژ گیت به طور قابل توجهی با شیبی بیش از 10 V/ns کاهش می‌یابد. با استفاده از این مشخصه، یک مقایسه‌گر دو آستانه‌ای برای تشخیص سریع خطا طراحی شده است که دو آستانه جریان Ith1 = 500 A و Ith2 = 1.2 kA را تعیین می‌کند. وقتی جریان شناسایی شده بیش از Ith1 باشد، هشدار اولیه تحریک می‌شود؛ بیش از Ith2 نشان‌دهنده خطا کوتاه شدن تأیید شده است. مدار تشخیص و الگوریتم پردازش سیگنال طراحی شده تنها 0.8 μs تأخیر دارد. این روش با استفاده از مشخصات الکتریکی ذاتی SiC MOSFET، از تبدیل و پردازش سیگنال پیچیده روش‌های متعارف دور می‌شود و دقت تشخیص خطا را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

(2) استراتژی قطع بهینه‌شده چند هدفه
برای دستیابی به عملکرد قطع خطا با کیفیت بالا در قطع‌کننده‌های جامد، زمان قطع (Δt)، جذب انرژی (EMOV) و جریان تکانه (Ipeak) به عنوان توابع هدف تعیین شده و با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی گروه ذرات چند هدفه (MOPSO) بهینه‌سازی می‌شوند. زمان قطع کوتاه‌تر محافظت بهتری برای تجهیزات سیستم ارائه می‌دهد؛ جذب انرژی انتخاب و عمر مفید مؤلفه‌های محافظ مانند MOV را تحت تأثیر قرار می‌دهد؛ جریان تکانه بیش از حد باعث ایجاد تنش الکتریکی قابل توجه می‌شود که عملکرد طبیعی تجهیزات را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

پس از چندین تکرار بهینه‌سازی MOPSO، پارامترهای بهینه تعیین می‌شوند: القای محدودکننده جریان LB = 15 μH و ضریب محدودکننده ولتاژ MOV γ = 1.8. با استفاده از این پارامترهای بهینه، زمان قطع به 73.5 μs کاهش می‌یابد و جریان ماکسیمم به 526 A محدود می‌شود. برای نشان دادن تأثیر بهینه‌سازی به صورت بصری، روش تصمیم‌گیری TOPSIS نتایج قبل و بعد از بهینه‌سازی را مقایسه می‌کند. مقایسه نشان می‌دهد که در شاخص‌های کلیدی مانند زمان قطع، جذب انرژی و جریان تکانه بهبود قابل توجهی دیده می‌شود که عملکرد کلی را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد و به نیازهای عملی مهندسی برای قطع سریع و قابل اعتماد توسط قطع‌کننده‌های جامد بهتر پاسخ می‌دهد.

2.3 طراحی ساختار مکانیکی با قابلیت اطمینان بالا
(1) سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی
برای بهبود قابلیت اطمینان و پایداری قطع‌کننده‌های جامد، یک سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی با استفاده از مکانیسم مغناطیس دائمی دو وضعیتی طراحی شده است. در این ساختار، نیروی نگهداری برای بستن و باز کردن اصلی توسط مغناطیس دائمی فراهم می‌شود و سیم‌پیچ فقط برای مدت کوتاهی در طول عملیات سوئیچینگ تغذیه می‌شود. این کار مصرف برق را نسبت به سوئیچ‌های جداکننده الکترومغناطیسی متعارف تقریباً 90% کاهش می‌دهد. تحلیل دینامیک Adams نشان می‌دهد که عمر مکانیکی این سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی بیش از یک میلیون عملیات است و سرعت جداسازی تماس 3 m/s است. سرعت جداسازی تماس بالا اطمینان می‌دهد که در زمان وقوع خطا، مدار به سرعت قطع شود و احتمال ایجاد قوس الکتریکی کاهش یابد و قابلیت قطع سوئیچ را افزایش می‌دهد. عمر مکانیکی طولانی عملکرد پایدار را در طول استفاده طولانی تضمین می‌کند و تعداد تعمیر و تعویض را کاهش می‌دهد و در نتیجه پشتیبانی قوی برای عملکرد کارآمد قطع‌کننده جامد فراهم می‌کند.

(2) راه‌حل مدیریت حرارت
برای مقابله با چالش‌های تبدیل حرارت در طراحی‌های با چگالی قدرت بالا، یک راه‌حل خنک‌سازی ترکیبی شامل خنک‌سازی تبخیری و خنک‌سازی مجبور هوا پیشنهاد شده است. خنک‌سازی تبخیری از اصل جذب حرارت توسط تبخیر مایع استفاده می‌کند که انتقال حرارت کارآمد را در فضاهای کوچک امکان‌پذیر می‌کند. خنک‌سازی مجبور هوا با استفاده از مکانیسم مجبور کنونی توسط مراوح، تبدیل حرارت را افزایش می‌دهد. این روش خنک‌سازی ترکیبی دمای نقطه داغ مدول را زیر 75°C ثابت می‌کند و نرخ افزایش دما کمتر از 5°C/min است که مطابق با استانداردها است.III. تایید آزمایشی

3 تایید آزمایشی

3.1 پارامترهای پروتاتایپ
برای تایید اثربخشی فناوری‌های کلیدی و طرح‌های طراحی، یک پروتاتایپ از قطع‌کننده جامد DC با ولتاژ کم توسعه داده شده است که پارامترهای اصلی آن به شرح زیر است:

3.2 نتایج آزمون نوع

آزمون‌های نوع کاملی بر روی پروتاتایپ انجام شد تا ارزیابی شود که آیا عملکرد آن برای کاربردهای عملی مناسب است:

(1) آزمون قطع خطا کوتاه شدن
خطا کوتاه شدن یکی از بدترین انواع خطا در سیستم‌های قدرت است و جریان لحظه‌ای عظیمی که تولید می‌کند تهدید قابل توجهی برای عملکرد تجهیزات است. برای شبیه‌سازی این شرایط حدی، محیط آزمونی با جریان خطا 23 kA ایجاد شد—که چالش سختی برای قطع‌کننده جامد است. در آغاز آزمون، پروتاتایپ به سرعت فعال شد و فناوری تشخیص و قطع خطا سریع داخلی آن شروع به کار کرد. این فناوری از طریق نظارت دقیق بر جریان و مکانیسم پاسخ سریع، جریان غیرعادی را در زمان بسیار کوتاه شناسایی کرد و فرآیند قطع را فوراً تحریک کرد.

در طول قطع، کارشناسان آزمون عملکرد قطع‌کننده را به دقت مشاهده کردند و در طول فرآیند هیچ قوس دوباره‌ای رخ نداد. این نتیجه نه تنها کارایی بالای فناوری تشخیص و قطع خطا سریع را نشان می‌دهد بلکه عملکرد قطع فوق‌العاده قطع‌کننده جامد را نیز برجسته می‌کند. در قطع‌کننده‌های متعارف، قوس دوباره یک مسئله دشوار برای جلوگیری است که اغلب منجر به خطا دومی یا حتی خسارت شدید تجهیزات می‌شود. در مقابل، قطع‌کننده جامد با استفاده از تکنیک‌های قطع پیشرفته، این مشکل را به طور موفقیت‌آمیزی حل می‌کند و در نتیجه پشتیبانی قوی برای عملکرد پایدار سیستم‌های قدرت ارائه می‌دهد.

(2) آزمون افزایش دما
عملکرد حرارتی یکی دیگر از عوامل کلیدی در ارزیابی قطع‌کننده‌های جامد است. برای ارزیابی مؤثر توانایی تبدیل حرارت تجهیز در طول عملکرد طولانی، آزمون افزایش دما انجام شد. پروتاتایپ باید به طور مداوم برای 24 ساعت کار کند، در طی این مدت مقدار قابل توجهی حرارت تولید می‌شود [9]. پس از آزمون، سنسورهای دما برای اندازه‌گیری دمای پروتاتایپ استفاده شدند. نتایج نشان داد که افزایش دما ΔT = 32 K بود. این داده‌ها اثربخشی راه‌حل خنک‌سازی ترکیبی شامل خنک‌سازی تبخیری و خنک‌سازی مجبور هوا را تأیید می‌کند. با ترکیب اصول طبیعی تبدیل حرارت خنک‌سازی تبخیری با مکانیسم مجبور کنونی خنک‌سازی مجبور هوا، سیستم به طور کارآمد حرارت تولید شده در طول عملکرد را تبدیل می‌کند و اطمینان می‌دهد که دستگاه در محدوده دمای قابل قبول باقی بماند. مدیریت حرارت خوب نه تنها عملکرد پایدار قطع‌کننده جامد را تضمین می‌کند بلکه عمر مفید آن را نیز افزایش می‌دهد.

(3) آزمون عمر مفید
عمر مفید یکی از شاخص‌های مهم برای تعیین اینکه آیا یک قطع‌کننده جامد می‌تواند به طور گسترده در سیستم‌های قدرت واقعی استفاده شود یا خیر. بنابراین، برای تأیید عملکرد عمر مفید، پروتاتایپ یک آزمون تحمل یک میلیون چرخه عملیاتی را طی کرد. در طول آزمون، کارشناسان به دقت تغییرات مقاومت تماس پروتاتایپ را نظارت کردند. پس از آزمون، مقاومت تماس اندازه‌گیری شد و مشخص شد که کمتر از 5% تغییر کرده است. این نتیجه اثربخشی طراحی عمر مفید بلند مدت سوئیچ جداکننده مغناطیس دائمی را تأیید می‌کند. حتی پس از عملکرد طولانی و مکرر، تماس‌های سوئیچ قابلیت هدایت بسیار خوبی را حفظ می‌کنند و عملکرد قابل اعتماد روشن/خاموش قطع‌کننده جامد را تضمین می‌کنند.

4 نتیجه‌گیری
به طور خلاصه، این مقاله یک راه‌حل فنی برای قطع‌کننده‌های جامد DC با ولتاژ کم بر اساس تحقیقات عمیق در فناوری‌های کلیدی ارائه می‌دهد که شامل بهینه‌سازی دستگاه‌های با پهنای باند گسترده، الگوریتم‌های کنترل هوشمند و طراحی ساختاری با قابلیت اطمینان بالا است. تایید آزمایشی نشان می‌دهد که پروتاتایپ توسعه یافته عملکرد رهبرانه‌ای در شاخص‌های کلیدی مانند سرعت قطع، دقت تشخیص خطا و عمر مفید عملیاتی دارد.

این پروتاتایپ با موفقیت قطع سریع در سطح میکروثانیه و عمر مفید یک میلیون چرخه را محقق می‌کند و راه‌حل عملی و قابل اجرا برای حفاظت در سیستم‌های توزیع قدرت نوین ارائه می‌دهد. در آینده، پژوهش‌های امیدوارکننده زیادی برای قطع‌کننده‌های جامد DC با ولتاژ کم وجود دارد. به عنوان مثال، ایجاد یک مدل شبیه‌سازی یکپارچه در سطح دستگاه-بسته‌بندی-سیستم می‌تواند عملکرد قطع‌کننده‌های جامد را در شرایط عملکرد مختلف به طور جامع‌تری شبیه‌سازی کند و در نتیجه پشتیبانی نظری دقیق‌تری برای بهینه‌سازی طراحی ارائه دهد.