اليوم ، تم الاعتراف على نطاق واسع بمزايا الأداء التي تقدمها أجهزة Cilicon Carbide (SIC) في السيارات الكهربائية (EV) والتطبيقات الشمسية الكهروضوئية (PV).ومع ذلك ، يمكن أيضًا استخدام مزايا المادة الخاصة بـ SIC في التطبيقات الأخرى ، بما في ذلك مجال حماية الدائرة.ستقوم هذه المقالة بمراجعة تطوير هذا المجال ، مع مقارنة مزايا وعيوب قواطع الدوائر الصلبة (SSCB) التي تنفذها الحماية الميكانيكية واستخدام أجهزة أشباه الموصلات المختلفة.في النهاية ، ستناقش هذه المقالة أيضًا سبب تفضيل قواطع دوائر الدولة الصلبة بشكل متزايد.

البنية التحتية للوقاية من الطاقة والمعدات

يجب حماية نظام نقل الطاقة والتوزيع والمعدات الحساسة بشكل صحيح لمنع الأضرار بسبب الحمل الزائد على المدى الطويل ودائرة قصيرة.نظرًا لأن الجهد الذي تستخدمه أنظمة الطاقة الكهربائية والسيارات الكهربائية يرتفع وأعلى ، فإن الحد الأقصى المحتمل لتيار الصدع أعلى من أي وقت مضى.من أجل توفير الحماية لهذه الأعطال الحالية العالية ، نحتاج إلى اتصالات سريعة للغاية وقواطع دوائر التيار المستمر.في الماضي ، كانت قواطع الدوائر الميكانيكية دائمًا الخيار الرئيسي لهذه التطبيقات. ومع ذلك ، فإن متطلبات العمل أصبحت أكثر وأكثر صرامة ، أصبحت قواطع الدوائر الصلبة أكثر شعبية.بالمقارنة مع قواطع الدوائر الميكانيكية ، فإن قواطع الدوائر الصلبة لها العديد من المزايا:

· الاستقرار والموثوقية: يحتوي قاطع الدائرة الميكانيكية على مكونات النشاط ، لذلك من السهل نسبيًا أن تتلف.هذا يعني أنها تضررت بسهولة أو منفصلة عن طريق الخطأ عن طريق التمرين ، وأثناء الاستخدام ، سيتم ارتداء كل إعادة تعيين.في المقابل ، لا تحتوي قواطع دوائر الحالة الصلبة على مكونات نشطة ، لذلك فهي أكثر استقرارًا وموثوقية ، وليس من السهل التسبب في أضرار عرضية. لذلك ، يمكن فصلها/مغلقها بشكل متكرر.

· مرونة درجة الحرارة: تعتمد درجة حرارة العمل في قاطع الدائرة الميكانيكية على مواد التصنيع الخاصة بها ، لذلك هناك تقييد معين في درجة حرارة العمل.في المقابل ، تكون درجة حرارة العمل في قاطع الدائرة الصلبة أعلى ويمكن تعديلها ، بحيث يمكن أن تتكيف بشكل أكثر مرونة مع بيئات العمل المختلفة.

التكوين عن بُعد: يحتاج قاطع الدائرة الميكانيكية إلى إعادة التعيين يدويًا يدويًا بعد الرحلة ، والتي قد تكون متزايدة للغاية وفعالة من حيث التكلفة ، خاصةً عندما يتم نشر نقاط تثبيت متعددة على النشر الكبير ، قد يكون هناك مخاطر السلامة المخفية.يمكن إعادة تعيين قاطع الدائرة الصلبة عن بُعد من خلال الاتصالات السلكية أو اللاسلكية.

· سرعة التبديل أسرع ولا تولد قوسًا: قد ينتج قاطع الدائرة الميكانيكية أقواس أكبر وتقلبات الجهد عند التبديل ، بما يكفي لتلف معدات الحمل.يتبنى قاطع الدائرة الصلبة -الدائرة طريقة بداية ناعمة لحماية الدائرة من تأثير قمم الجهد الاستقرائي هذه وتيار الموجة السعية ، وسرعة التبديل أسرع بكثير. لا تستغرق سوى بضعة ميلي ثانية لقطع الدائرة عندما تكون الدائرة الفشل يحدث.

· القيمة المقدرة الحالية المرنة: يحتوي قاطع الدائرة الصلبة على قيمة تيار قابلة للبرمجة ، في حين أن قاطع الدائرة الميكانيكية له قيمة ثابتة تم تقييمها.

· حجم صغير ووزن أخف: مقارنة مع قواطع الدائرة الميكانيكية ، فإن قاطع الدائرة الصلبة أخف وزنا وأصغر.

حدود قواطع الطرق الصلبة الموجودة

على الرغم من أن قاطع الدائرة الصلبة له مزايا متعددة مقارنةً بقطر الدائرة الميكانيكية ، إلا أنه يحتوي أيضًا على بعض العيوب ، والتي تشمل القيمة المقدرة للجهد/التيار ، والتي تكون محدودة ، فقدان دوران أعلى والسعر أكثر تكلفة.بشكل عام ، بالنسبة لتطبيقات التيار المتردد ، تعتمد قواطع دوائر الحالة الصلبة على الزهور القائمة على السيليكون (TRIAC) ، وأنظمة التيار المستمر ، فهي تستند إلى MOSFETs المستوى القياسي.ترياك أو MOSFET مسؤول عن تحقيق وظائف التبديل ، بينما يتم استخدام محركات عزل الضوء كمكونات تحكم.ومع ذلك ، في حالة ارتفاع تيار الناتج العالي ، تحتاج قواطع الدوائر الصلبة عالية القائمة على MOSFET إلى استخدام أحواض الحرارة ، مما يعني أنها لا يمكن أن تصل إلى مستوى كثافة الطاقة مثل قواطع الدائرة الميكانيكية.

وبالمثل ، يجب أيضًا أن تكون قواطع الدائرة الصلبة التي يتم تنفيذها باستخدام أنبوب البلورة الثنائي القطب العازلة (IGBT) ، لأنه عندما يتجاوز التيار العشرات من الأمبير ، فإن الجهد المشبع سيؤدي إلى فقدان الطاقة المفرط.على سبيل المثال ، عندما يكون التيار 500 أمبير ، فإن انخفاض الجهد 2V على IGBT سيولد ما يصل إلى 1000 واط.لنفس مستوى الطاقة ، يحتاج MOSFET إلى حوالي 4 أمتار؟مع تطور القيمة المقدرة للجهاز في السيارات الكهربائية نحو 800 فولت (أو أعلى) ، لا يمكن لأي جهاز واحد تحقيق مستوى المقاومة هذا.على الرغم من أن الرقم يمكن أن يكون متصلاً نظريًا بواسطة الأجهزة المتوازية ، فإن هذا النهج سيزيد بشكل كبير من حجم وتكلفة الحل ، خاصةً عندما يحتاج تيار الطريق إلى معالجة.

استخدم وحدة الطاقة SIC لإنشاء قاطع الدائرة الصلبة التالية

بالمقارنة مع رقائق السيليكون ، يمكن تقليل رقائق SIC بنسبة تصل إلى عشر مرات في نفس ظروف المقاومة الجهد ومقاومة القيادة.بالإضافة إلى ذلك ، فإن سرعة التبديل لجهاز SIC أسرع على الأقل 100 مرة من سرعة أجهزة السيليكون ، ويمكن أن تعمل عند درجة حرارة ذروة تزيد عن ضعف ارتفاعها.في الوقت نفسه ، تتمتع SIC بتوصيل حراري ممتاز ، لذلك يتمتع باستقرار أفضل عند مستويات التيار العالي.يستخدم Ansonami هذه الخصائص لـ SIC لتطوير سلسلة من وحدات الطاقة النخبة ، والتي تتراوح من 1.7 متر؟تدمج هذه الوحدات النمطية من اثنين إلى ستة موس في حزمة واحدة.

يمكن أن يوفر تقنية CHIP Sintering (حرق رقتين مستقلتين في حزمة واحدة) أداءً موثوقًا للمنتج حتى في مستويات الطاقة العالية.نظرًا لسلوك التبديل السريع ومعدل التوجيه الحراري العالي ، يمكن لهذه الأجهزة بسرعة وأمان "الانتقال إلى البطاقة" (فصل الدائرة) عند حدوث الفشل ، ومنع التيار من التدفق حتى ظروف العمل العادية.تُظهر مثل هذه الوحدة أنه يتم دمجها بشكل متزايد في أجهزة MOSFET متعددة في حزمة واحدة لتحقيق موصلات منخفضة وأحجام صغيرة ، وبالتالي تلبية احتياجات تطبيقات القاطع الفعلية.بالإضافة إلى ذلك ، يوفر Ansonmei أيضًا وحدات MOSFET و MOSFET النخبة مع نطاق الجهد من 650 فولت إلى 1700 فولت ، لذلك يمكن أيضًا استخدام هذه الأجهزة لإنشاء قواطع دوائر صلبة مناسبة للمرحلة الواحدة وثلاثة طورات من الطور والتجاريات والصناعية.يمكن أن توفر سلسلة التوريد SIC من Ansonmei مع التكامل الرأسي ما يقرب من منتجات نقص العوز. كانت هذه المنتجات اختبارات شاملة للموثوقية ويمكن أن تلبي احتياجات الشركات المصنعة للقاطعات القوية الصلبة.

الشكل 1: سلسلة التوريد الكاملة للسيليكون (SIC) من Ansonmei

يوضح الشكل أدناه التنفيذ المعياري لقاطع الدائرة الصلبة.هذه الوحدات المتكاملة بالكامل أدناه لديها دبابيس وتخطيطات محسّنة ، مما يساعد على تقليل التأثيرات الطفيلية ، وتحسين أداء التبديل ، وتقصير وقت استجابة الفشل.يوفر Ansonmi مجموعة متنوعة من محافظ منتجات وحدة SIC. الجهد المصنف للوحدة هو 650 فولت و 1200 فولت و 1700 فولت ، وبعض الوحدات النمطية لها لوحة أسفل ، في حين أن البعض الآخر ليس لديه لوحة أسفل لتلبية متطلبات التطبيق المختلفة واحتياجات الكفاءة.

الشكل 2: وحدة SIC B2B مناسبة لقواطع الدوائر الصلبة -480VAC -200A

تين

سوف تتطور تكنولوجيا SIC وقواطع الدوائر الصلبة معًا

يتمتع قاطع الدائرة الميكانيكية بفقدان طاقة منخفضة وكثافة طاقة أعلى ، كما أن السعر الحالي أقل من قاطع الدائرة الصلبة.بالإضافة إلى ذلك ، يسهل ارتداء قواطع الدوائر الميكانيكية بسبب الاستخدام المتكرر ، وسوف تولد إعادة تعيين أو استبدال تكاليف صيانة مصطنعة باهظة الثمن.مع زيادة شعبية السيارات الكهربائية ، سيستمر طلب السوق على قواطع الدوائر والأجهزة SIC في النمو. وبالتالي ، ستزداد القدرة التنافسية للتكلفة هذه على تكنولوجيا المنطقة الواسعة ، وستستمر جاذبيتها لحل قاطع الدوائر الصلب لارتفاع.مع التقدم المستمر لتكنولوجيا SIC ومقاومة MOSFET المستقلة ، فإن فقدان الطاقة في قاطع الدائرة الصلبة سيصل في النهاية إلى المستوى القابل للمقارنة مع قاطع الدائرة الميكانيكية. في ذلك الوقت ، لن يكون فقدان الطاقة مشكلة بعد الآن .يتمتع قاطع الدائرة الصلبة القائمة على أجهزة SIC بمزايا سرعة التبديل السريع ، و ARC NO ARC ، وصيانة صفرية ، والتي يمكن أن تحقق وفورات كبيرة في التكاليف ، لذلك ستصبح بالتأكيد الخيار السائد للسوق على نطاق واسع.