Ako diódy izolujú miestne obvody počas porúch elektrickej siete?

一, Fyzikálny mechanizmus izolácie porúch diód
Štruktúra PN prechodu diódy jej dáva schopnosť prirodzeného blokovania prúdu. Keď dôjde k poruche skratu v elektrickej sieti, napätie v mieste poruchy prudko klesne, čím sa vytvorí reverzné elektrické pole. V tomto čase dióda vstúpi do stavu odpojenia a spätný odpor môže dosiahnuť úroveň megaohmov. Ak si vezmeme ako príklad systém zapojený do fotovoltaickej siete, keď dôjde ku skratu medzi pólmi na jednosmernej strane, Schottkyho dióda (ako SB560, s poklesom napätia v priepustnom smere 0,5 V) paralelne pripojená k obom koncom fotovoltaického modulu dokáže vydržať spätné napätie nad 1000 V a úplné blokovanie prúdu do 0,1 rádov rýchlejšie ako tradičná schéma, čo je rýchlosť o tri rády μs.

V komunikačných systémoch sú izolačné charakteristiky diód úzko spojené s typom poruchy. Keď sa vyskytne jednofázová porucha uzemnenia, bezporuchové fázové napätie stúpne na úroveň sieťového napätia. V tomto čase môže dióda rýchleho obnovenia (ako FR307, doba spätného zotavenia 100 ns) pripojená antiparalelne k obom koncom spínacieho zariadenia účinne zabrániť prebíjaniu kondenzátora. Podľa údajov projektu Tennet ± 500 kV DC prenosu v Nemecku sa po prijatí tejto schémy rozsah kolísania napätia kondenzátora submodulu znížil z ± 15 % na ± 3 % a účinnosť systému sa zlepšila o 1,2 percentuálneho bodu.

2, Izolačná aplikácia typických scenárov porúch
1. Zónovanie porúch DC distribučnej sústavy
V systéme distribúcie jednosmerného prúdu na báze diód, keď dôjde k trvalému dvojpólovému skratu vo vedení, počiatočný prúd chybného vedenia rýchlo stúpne na 8,3 kA, zatiaľ čo koncový prúd klesne na 0 v priebehu 1 ms v dôsledku reverznej vypínacej charakteristiky diódy. Výskum vykonaný tímom Li Bin na Tianjinskej univerzite ukazuje, že táto schéma môže obmedziť rozsah vplyvu porúch medzi dvoma konvertorovými stanicami, znížiť ho o 60 % v porovnaní s tradičnými schémami a skrátiť čas poklesu napätia z 200 ms na 20 ms, čím sa výrazne zlepší spoľahlivosť napájania.

V špecifickej implementácii je každý segment DC zbernice vybavený antiparalelným diódovým modulom. Keď poruchový prúd prekročí prahovú hodnotu, rýchlo spínacie zariadenie preruší poruchovú cestu do 100 μs a dióda automaticky vytvorí izolačnú bariéru. Po prijatí tejto technológie zvýšil fotovoltický invertor Huawei SUN2000-125KTL svoju výrobu energie o 9,3 % v scenároch s čiastočnými prekážkami s európskou účinnosťou 98,8 %.

2. Modulárna viacúrovňová ochrana prevodníka
V submodule MMC tvoria diódy a IGBT obojsmernú blokovaciu štruktúru. Keď napäťová nerovnováha kondenzátora submodulu presiahne 10 %, sériovo zapojená dióda z karbidu kremíka (ako C3D06060A) zaznamená pokles napätia v smere dopredu o 1,3 V@10A. Môže zabrániť prebíjaniu kondenzátora. Po prijatí tejto schémy sieťový stabilizátor Siemens SICAM AIS znížil straty pri prepínaní submodulov o 40 % a skrátil čas odozvy systému z 10 ms na 3 ms.

V inžinierskej praxi je potrebné brať do úvahy reverzné zotavovacie charakteristiky diód. Použitie rýchloobnoviteľných diód (ako je FR307) môže znížiť spínacie straty IGBT o 35% v porovnaní s bežnými usmerňovačmi. Inteligentné izolačné diódy radu Power Grid od ABB monitorujú teplotu križovatky, prúd a ďalšie parametre v reálnom čase prostredníctvom zabudovaných-senzorov, varujú pred možnými poruchami 0,5 ms vopred a zvyšujú priemerný čas medzi poruchami systému na 200 000 hodín.

3. Redundantný návrh distribuovaných zdrojov energie
V reťazcových fotovoltaických invertoroch dosahuje viacero MPPT kanálov výkonovú redundanciu prostredníctvom diód alebo hradlových obvodov. Keď sa výstupný výkon určitého kanála zníži v dôsledku tieňovej prekážky, Schottkyho dióda (ako MBR2045CT, s poklesom napätia v doprednom smere 0,32 V) sa automaticky prepne na zdravý kanál. Testy ukázali, že táto schéma môže zvýšiť výrobu energie vo fotovoltaických poliach o 8 % až 12 %, najmä v scenároch s čiastočnou prekážkou, kde sú výhody značné.

Systém ukladania energie Tesla Megapack využíva integrovanú schému izolácie a ideálny diódový ovládač založený na MOSFET (ako je LM5050) dosahuje nulový čas spätného zotavenia. Táto schéma znižuje stratu izolácie medzi klastrami batérií z 2,5 W na 0,3 W, zlepšuje účinnosť cyklu systému o 0,2 percentuálneho bodu a znižuje pokles vodivého napätia o 0,05 V o 90 % v porovnaní s tradičnými diódami.

3, Technologická optimalizácia a stratégie zvyšovania výkonu
1. Výber nízkostratových komponentov
Strata vodivosti tradičných kremíkových diód sa stala prekážkou vo vysoko-aplikáciách. Použitie Schottkyho diód z karbidu kremíka môže znížiť straty vo vedení o 60 %. V 100kW fotovoltaickom meniči táto schéma znižuje straty diódy zo 120W na 48W a zlepšuje účinnosť systému o 0,05 percentuálneho bodu. Dióda EPC2054 GaN uvedená na trh spoločnosťou EPC má pokles napätia v priepustnom smere iba 0,2 V pri prúde 10 A, čo je o 85 % menej ako u SiC zariadení.

2. Optimalizácia tepelného manažmentu
V aplikáciách s vysokým{0}}výkonom je rozhodujúca kontrola teploty prechodu diód. Kompozitná schéma rozptylu tepla s použitím tepelne vodivého silikónového maziva (tepelný odpor 0,5 stupňa /W) a hliníkového substrátu (tepelný odpor 1 stupeň /W) môže znížiť teplotu spojenia zo 125 stupňov na 85 stupňov pri prúde 100 A, čím sa životnosť zariadenia predĺži viac ako trikrát. Invertory Huawei využívajú technológiu chladenia kvapalinou na reguláciu teploty prechodu diód v rozsahu 105 stupňov a zvyšujú hustotu výkonu na 1,2 kW/kg.

3. Dizajn elektromagnetickej kompatibility
Di/dt šum generovaný diódovými spínačmi je potrebné potlačiť RC vyrovnávacím obvodom. V 10kW invertore môže vyrovnávací obvod využívajúci filmové kondenzátory 0,1 μF a 10 Ω odpory znížiť prekmit napätia z 50 V na 5 V, čím spĺňa normu elektromagnetickej kompatibility IEC 61000-4-5. Inteligentná izolačná dióda Siemens radu SIRIUS potláča šum spínača pod 20 dB prostredníctvom vstavanej RC siete.

4, Trendy hraničnej technológie
1. Široká bandgap polovodičové aplikácie
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1 GHz), postupne nahrádzajú kremíkové zariadenia v oblastiach vyššej kategórie,{1}}ako sú napájacie zdroje pre základňové stanice 5G a napájacie zdroje pre letectvo. Dióda EPC2054 GaN uvedená na trh spoločnosťou EPC má pokles napätia v priepustnom smere iba 0,2 V pri prúde 10 A, čo je o 85 % menej ako u SiC zariadení.

2. Integrácia inteligentnej izolačnej technológie
Inteligentný diódový modul v kombinácii s digitálnou riadiacou technológiou môže dosiahnuť dynamickú kompenzáciu poklesu napätia a predikciu porúch. Inteligentné izolačné diódy radu Power Grid od spoločnosti ABB monitorujú teplotu križovatky, prúd a ďalšie parametre v reálnom čase prostredníctvom zabudovaných-senzorov a varujú pred možnými poruchami s predstihom 0,5 ms, čím zvyšujú priemernú dobu bezporuchovosti systému na 200 000 hodín.

5, Prípady priemyselných aplikácií
1. Projekt prenosu jednosmerného prúdu Tennet v Nemecku
V projekte prenosu jednosmerného prúdu ± 500 kV submodul MMC využívajúci diódové moduly z karbidu kremíka znižuje rozsah kolísania napätia kondenzátora submodulu z ± 15 % na ± 3 % a zlepšuje účinnosť systému o 1,2 percentuálneho bodu. Ročná prenosová kapacita tohto projektu dosahuje 12 miliárd kilowatthodín, čo zodpovedá zníženiu spotreby štandardného uhlia o 3,6 milióna ton.

2. Systém skladovania energie Tesla Megapack
Schéma izolácie klastra batérií založená na diódach GaN zlepšuje účinnosť cyklu systému o 0,2 percentuálneho bodu a zároveň znižuje pokles vodivého napätia o 90 % v porovnaní s tradičnými diódami pri 0,05 V. Systém je celosvetovo nasadený na viac ako 10 GWh, čím podporuje spotrebu obnoviteľnej energie.