Công nghệ chính của cầu chì rắn trạng thái DC điện áp thấp

1 Thách thức kỹ thuật

1.1 Độ ổn định của thiết bị song song
Trong ứng dụng thực tế, khả năng chịu dòng điện của một thiết bị điện tử công suất đơn lẻ là tương đối hạn chế. Để đáp ứng yêu cầu dòng điện lớn, thường kết nối nhiều thiết bị song song. Tuy nhiên, sự biến đổi các tham số giữa các thiết bị—như sự khác biệt nhỏ về điện trở khi mở và điện áp ngưỡng—có thể gây ra phân phối dòng điện không đồng đều trong quá trình hoạt động song song. Trong quá trình chuyển mạch, cảm ứng và dung lượng phụ có thể dẫn đến tốc độ thay đổi dòng điện không đồng nhất giữa các thiết bị song song, làm tăng sự mất cân đối dòng điện. Nếu không được giải quyết kịp thời, sự mất cân đối này có thể khiến một số thiết bị bị nóng lên và hỏng do dòng điện quá lớn, từ đó giảm tuổi thọ của bộ cắt mạch bán dẫn.

1.2 Độ trễ trong phát hiện lỗi
Trong hệ thống DC, đặc điểm của dòng điện lỗi khác biệt đáng kể so với hệ thống AC, thiếu điểm qua zero giúp phát hiện và ngắt lỗi. Điều này đòi hỏi bộ cắt mạch bán dẫn phải sử dụng thuật toán phát hiện lỗi ở cấp độ microsecond để xác định chính xác lỗi và phản ứng nhanh chóng. Các phương pháp phát hiện lỗi truyền thống gặp phải độ trễ đáng kể khi xử lý dòng điện lỗi DC thay đổi nhanh, khiến chúng không thể đáp ứng yêu cầu bảo vệ nhanh.

1.3 Mâu thuẫn giữa tản nhiệt và kích thước
Để đáp ứng nhu cầu mật độ công suất cao của hệ thống điện hiện đại, thiết kế bộ cắt mạch bán dẫn phải đạt được khả năng xử lý công suất lớn hơn trong không gian hạn chế. Tuy nhiên, mật độ công suất cao dẫn đến sự gia tăng nhiệt sinh ra bởi thiết bị điện tử công suất. Việc tản nhiệt không đủ gây ra nhiệt độ quá cao, làm suy giảm hiệu suất thiết bị và có thể gây ra tình trạng chạy nhiệt và hỏng hóc thiết bị. Các kỹ thuật làm mát truyền thống hoạt động kém với bộ cắt mạch bán dẫn có mật độ công suất cao. Mặc dù làm mát bằng chất lỏng có thể cải thiện hiệu quả tản nhiệt, nhưng nó lại tăng kích thước và chi phí của thiết bị. Do đó, cách cân bằng giữa làm mát hiệu quả và kiểm soát kích thước hợp lý—đạt được tối ưu hóa hiệp lực—vẫn là thách thức chính trong thiết kế bộ cắt mạch bán dẫn.

2 Nghiên cứu công nghệ chính

2.1 Công nghệ ứng dụng thiết bị băng rộng
(1) Lựa chọn và đóng gói SiC MOSFET
Trong số các thiết bị băng rộng, SiC MOSFET có tổn thất dẫn thấp mang lại lợi thế đáng kể. Để nâng cao hiệu suất của chúng trong ứng dụng đa thiết bị song song, bố cục DBC (Direct Bonded Copper) đối xứng được áp dụng. Bố cục này giảm hiệu quả cảm ứng phụ, điều quan trọng để cải thiện đặc tính chuyển mạch của thiết bị. Trong quá trình chuyển mạch, đặc biệt là khi tắt, sự tương tác giữa cảm ứng phụ và dung lượng thiết bị gây ra dao động điện áp cổng. Thử nghiệm cho thấy với bố cục DBC đối xứng, dao động điện áp cổng khi tắt có thể được kiểm soát dưới 5%. Điều này không chỉ cải thiện độ ổn định động trong hoạt động song song mà còn giảm rủi ro hỏng hóc do dao động điện áp.

(2) Kiểm soát chia sẻ dòng điện động
Để giải quyết thách thức mất cân đối dòng điện trong các thiết bị song song, chiến lược kiểm soát kết hợp bus chia sẻ dòng điện với quy định PI thích ứng được giới thiệu. Bus chia sẻ dòng điện, thông qua thiết kế cấu trúc độc đáo, cung cấp đường dẫn phân phối dòng điện cân bằng cho mỗi nhánh song song ở mức vật lý. Trên cơ sở đó, thuật toán quy định PI thích ứng điều chỉnh động tín hiệu điều khiển của mỗi thiết bị dựa trên giám sát dòng điện nhánh theo thời gian thực, đạt được kiểm soát chia sẻ dòng điện chính xác hơn.

2.2 Công nghệ phát hiện và ngắt lỗi nhanh
(1) Phát hiện lỗi dựa trên điện áp cổng
Phân tích đặc điểm ngắn mạch của SiC MOSFET cho thấy trong trường hợp lỗi ngắn mạch, điện áp drain-source (VDS) tăng nhanh lên 900V trong khi điện áp cổng giảm đáng kể với tốc độ vượt quá 10 V/ns. Sử dụng đặc điểm này, bộ so sánh hai ngưỡng được thiết kế để phát hiện lỗi nhanh, đặt hai ngưỡng dòng điện: Ith1 = 500 A và Ith2 = 1.2 kA. Khi dòng điện phát hiện vượt quá Ith1, cảnh báo sơ bộ được kích hoạt; vượt quá Ith2 cho thấy lỗi ngắn mạch đã xác nhận. Mạch phát hiện và thuật toán xử lý tín hiệu được thiết kế đạt độ trễ phát hiện chỉ 0,8 μs. Phương pháp này tránh các bước chuyển đổi và xử lý tín hiệu phức tạp của phương pháp truyền thống bằng cách sử dụng đặc điểm điện học tự nhiên của SiC MOSFET, cải thiện đáng kể độ chính xác phát hiện lỗi.

(2) Chiến lược ngắt lỗi tối ưu đa mục tiêu
Để đạt được hiệu suất ngắt lỗi cao trong bộ cắt mạch bán dẫn, thời gian ngắt (Δt), năng lượng hấp thụ (EMOV) và dòng điện đỉnh (Ipeak) được đặt làm hàm mục tiêu, tối ưu hóa bằng thuật toán tối ưu hóa đàn chim đa mục tiêu (MOPSO). Thời gian ngắt ngắn hơn cung cấp bảo vệ tốt hơn cho thiết bị hệ thống; năng lượng hấp thụ ảnh hưởng đến lựa chọn và tuổi thọ của các thành phần bảo vệ như MOV; dòng điện đỉnh quá lớn gây ra căng thẳng điện đáng kể, ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của thiết bị.

Qua nhiều lần lặp tối ưu MOPSO, các tham số tối ưu được xác định: cuộn cảm hạn chế dòng điện LB = 15 μH và hệ số hạn chế điện áp của MOV γ = 1,8. Sử dụng các tham số tối ưu này, thời gian ngắt được giảm xuống 73,5 μs, và dòng điện cực đại được hạn chế ở 526 A. Để minh họa trực quan hiệu quả tối ưu, phương pháp ra quyết định TOPSIS so sánh kết quả trước và sau tối ưu. So sánh cho thấy cải thiện đáng kể trong các chỉ số chính như thời gian ngắt, năng lượng hấp thụ và dòng điện đỉnh, nâng cao đáng kể hiệu suất tổng thể và đáp ứng tốt hơn yêu cầu kỹ thuật thực tế về ngắt nhanh và tin cậy của bộ cắt mạch bán dẫn.

2.3 Thiết kế cấu trúc cơ khí độ tin cậy cao
(1) Cầu cách ly nam châm vĩnh cửu
Để cải thiện độ tin cậy và ổn định của bộ cắt mạch bán dẫn, một cầu cách ly nam châm vĩnh cửu sử dụng cơ chế nam châm vĩnh cửu hai trạng thái được thiết kế. Trong cấu trúc này, lực giữ cho đóng và mở chủ yếu được cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu, với cuộn dây chỉ được cấp điện tạm thời trong quá trình chuyển mạch. Điều này giảm tiêu thụ điện khoảng 90% so với cầu cách ly điện từ truyền thống. Phân tích mô phỏng động Adams cho thấy tuổi thọ cơ khí của cầu cách ly nam châm vĩnh cửu này vượt quá 1 triệu chu kỳ, với tốc độ tách tiếp xúc là 3 m/s. Tốc độ tách tiếp xúc cao đảm bảo ngắt mạch nhanh chóng khi xảy ra lỗi, giảm khả năng tạo hồ quang và nâng cao khả năng ngắt của cầu. Tuổi thọ cơ khí dài đảm bảo hiệu suất ổn định trong suốt thời gian sử dụng, giảm tần suất bảo dưỡng và thay thế, do đó cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho hoạt động hiệu quả của bộ cắt mạch bán dẫn.

(2) Giải pháp quản lý nhiệt
Để giải quyết thách thức tản nhiệt trong thiết kế mật độ công suất cao, một giải pháp làm mát lai kết hợp làm mát bay hơi và làm mát ép buộc bằng không khí được đề xuất. Làm mát bay hơi sử dụng nguyên tắc hấp thụ nhiệt của sự bốc hơi chất lỏng, cho phép chuyển nhiệt hiệu quả trong không gian nhỏ gọn. Làm mát ép buộc bằng không khí tăng cường tản nhiệt thông qua đối lưu ép buộc do quạt. Phương pháp làm mát lai này ổn định nhiệt độ điểm nóng của module dưới 75°C, với tốc độ tăng nhiệt dưới 5°C/phút, đáp ứng yêu cầu chuẩn.III. Xác nhận thử nghiệm

3 Xác nhận thử nghiệm

3.1 Thông số mẫu thử nghiệm
Để xác minh hiệu quả của các công nghệ chính và phương án thiết kế, một mẫu thử nghiệm của bộ cắt mạch bán dẫn DC hạ áp đã được phát triển, với các thông số chính như sau:

3.2 Kết quả thử nghiệm loại

Các thử nghiệm loại toàn diện đã được tiến hành trên mẫu thử nghiệm để đánh giá liệu hiệu suất của nó có đáp ứng yêu cầu cho ứng dụng thực tế hay không:

(1) Thử nghiệm ngắt ngắn mạch
Lỗi ngắn mạch là một trong những loại lỗi nghiêm trọng nhất trong hệ thống điện, và dòng điện tức thời lớn mà nó tạo ra gây ra mối đe dọa đáng kể cho hoạt động của thiết bị. Để mô phỏng điều kiện cực đoan này, môi trường thử nghiệm dòng điện ngắn mạch 23 kA đã được thiết lập—đặt ra thách thức nghiêm ngặt cho bộ cắt mạch bán dẫn. Ngay khi bắt đầu thử nghiệm, mẫu thử nghiệm kích hoạt nhanh chóng, và công nghệ phát hiện và ngắt lỗi nhanh được tích hợp bắt đầu hoạt động. Công nghệ này, thông qua giám sát dòng điện chính xác và cơ chế phản hồi nhanh, phát hiện dòng điện bất thường trong thời gian rất ngắn và ngay lập tức kích hoạt quá trình ngắt.

Trong quá trình ngắt, nhân viên thử nghiệm theo dõi chặt chẽ hiệu suất của bộ cắt, và không có hiện tượng tái tạo hồ quang xảy ra trong suốt quá trình. Kết quả này không chỉ chứng tỏ hiệu quả cao của công nghệ phát hiện và ngắt lỗi nhanh mà còn nhấn mạnh hiệu suất ngắt lỗi vượt trội của bộ cắt mạch bán dẫn. Trong các bộ cắt mạch truyền thống, tái tạo hồ quang là vấn đề khó tránh, thường dẫn đến lỗi thứ cấp hoặc thậm chí hư hỏng nghiêm trọng thiết bị. Ngược lại, bộ cắt mạch bán dẫn thành công trong việc tránh vấn đề này thông qua các kỹ thuật ngắt tiên tiến, do đó cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ cho hoạt động ổn định của hệ thống điện.

(2) Thử nghiệm tăng nhiệt độ
Hiệu suất nhiệt là một yếu tố quan trọng khác trong việc đánh giá bộ cắt mạch bán dẫn. Để đánh giá hiệu quả tản nhiệt của thiết bị trong quá trình hoạt động kéo dài, thử nghiệm tăng nhiệt độ đã được tiến hành. Mẫu thử nghiệm được yêu cầu hoạt động liên tục trong 24 giờ, trong đó tạo ra lượng nhiệt đáng kể [9]. Sau thử nghiệm, các cảm biến nhiệt độ được sử dụng để đo nhiệt độ của mẫu thử nghiệm. Kết quả cho thấy tăng nhiệt ΔT = 32 K. Dữ liệu này xác nhận hiệu quả của giải pháp làm mát lai kết hợp làm mát bay hơi và làm mát ép buộc bằng không khí. Bằng cách tích hợp nguyên tắc tản nhiệt tự nhiên của làm mát bay hơi với đối lưu ép buộc của làm mát ép buộc bằng không khí, hệ thống tản nhiệt hiệu quả nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động, đảm bảo thiết bị duy trì trong phạm vi nhiệt độ chấp nhận được. Quản lý nhiệt tốt không chỉ đảm bảo hoạt động ổn định của bộ cắt mạch bán dẫn mà còn kéo dài tuổi thọ của nó.

(3) Thử nghiệm tuổi thọ
Tuổi thọ là một chỉ số quan trọng để xác định liệu bộ cắt mạch bán dẫn có thể được áp dụng rộng rãi trong hệ thống điện thực tế hay không. Do đó, để xác minh hiệu suất tuổi thọ, mẫu thử nghiệm đã trải qua bài kiểm tra bền với một triệu chu kỳ hoạt động. Trong suốt quá trình thử nghiệm, nhân viên theo dõi chặt chẽ sự thay đổi điện trở tiếp xúc của mẫu thử nghiệm. Sau thử nghiệm, điện trở tiếp xúc được đo và phát hiện thay đổi dưới 5%. Kết quả này xác nhận hiệu quả của thiết kế tuổi thọ dài của cầu cách ly nam châm vĩnh cửu. Ngay cả sau thời gian hoạt động kéo dài và tần suất hoạt động cao, các tiếp xúc của cầu vẫn duy trì khả năng dẫn điện tuyệt vời, đảm bảo chức năng bật/tắt đáng tin cậy của bộ cắt mạch bán dẫn.

4 Kết luận
Tóm lại, bài viết này trình bày giải pháp kỹ thuật cho bộ cắt mạch bán dẫn DC hạ áp dựa trên nghiên cứu sâu rộng các công nghệ chính, bao gồm tối ưu hóa thiết bị băng rộng, thuật toán kiểm soát thông minh và thiết kế cấu trúc độ tin cậy cao. Xác minh thử nghiệm cho thấy mẫu thử nghiệm đã phát triển đạt hiệu suất hàng đầu trong các chỉ số chính như tốc độ ngắt, độ chính xác phát hiện lỗi và tuổi thọ hoạt động.

Nó đã thành công trong việc thực hiện ngắt nhanh ở cấp độ microsecond và tuổi thọ hoạt động một triệu chu kỳ, cung cấp giải pháp thực tế và khả thi cho bảo vệ trong hệ thống phân phối điện năng mới. Nhìn về tương lai, có nhiều hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn cho bộ cắt mạch bán dẫn DC hạ áp. Ví dụ, việc xây dựng mô hình mô phỏng tích hợp từ cấp độ thiết bị, đóng gói đến hệ thống có thể mô phỏng toàn diện hiệu suất của bộ cắt mạch bán dẫn trong các điều kiện hoạt động khác nhau, do đó cung cấp hỗ trợ lý thuyết chính xác hơn cho tối ưu hóa thiết kế.