Aké sú dôsledky skratu diódy alebo prerušenia obvodu na energetický systém?

一, Reťazová reakcia na poruchu skratu diódy
1. Mechanizmus skratu a spúšťacie podmienky
Skrat diódy je zvyčajne spôsobený poruchou čipu, prasknutím obalu alebo zlým spájkovaním. V prostredí s vysokou teplotou a vysokou vlhkosťou môže absorpcia vlhkosti a expanzia obalových materiálov spôsobiť prasknutie vnútornej metalizovanej vrstvy; V scenároch prepätia môžu PN prechody trvalo viesť v dôsledku lavínového rozpadu. Napríklad projekt fotovoltaického meniča zaznamenal skrat do 10 ms v dôsledku spätného prepätia diódy spôsobeného údermi blesku.

2. Vplyv na úrovni systému
(1) Zmena dráhy prenosu energie
Porucha obvodu usmerňovača: Ak je v obvode mostíkového usmerňovača skratovaná dióda, spôsobí to priame vedenie medzi AC a DC stranou, čo vedie k nasýteniu transformátora alebo induktora. V dôsledku skratu v usmerňovacej dióde určitého projektu systému akumulácie energie vzrástol vstupný prúd na trojnásobok menovitej hodnoty a transformátor vyhorel do 5 sekúnd.
Skrat vo voľnobežnom obvode: V motorovom pohone alebo v obvodoch na ukladanie indukčnej energie môže skrat-obvodu voľnobežnej diódy poškodiť dráhu spätnej väzby energie. Napríklad v istom projekte invertora elektrického vozidla bola v dôsledku skratu vo voľnobežnej dióde spätná elektromotorická sila motora priamo aplikovaná na výkonové zariadenie, čo spôsobilo, že modul IGBT explodoval do 100 μs.
(2) Porucha ochranného mechanizmu
Zlyhanie ochrany proti spätnému chodu: V systémoch s jednosmerným prúdom môže skrat v dióde proti spätnému chodu spôsobiť priame poškodenie zariadenia pri prepólovaní napájania. Projekt UPS v istom dátovom centre utrpel straty vo výške viac ako 500 000 juanov v dôsledku skratu-reverznej diódy, čo spôsobilo vyhorenie usmerňovacieho modulu počas nesprávnej údržby.
Obtok prepäťovej ochrany: Skrat diódy TVS spôsobí, že stratí svoju upínaciu funkciu a prepätie sa priamo prenesie do nasledujúceho obvodu. V dôsledku skratu diódy TVS v určitom projekte fotovoltaického poľa výstupné napätie komponentov stúplo na 1 000 V (menovité 600 V), čo spôsobilo-rozsiahle poruchy meniča.
(3) Riziko úniku tepla
Skrat spôsobí zmenu prúdovej dráhy, čo má za následok výrazné zvýšenie lokálnej prúdovej hustoty. Test projektu konvertora veternej energie ukázal, že po skrate diódy sa teplota spoja susedných energetických zariadení zvýšila z 85 stupňov na 200 stupňov v priebehu 2 sekúnd, čo spôsobilo tepelný únik reťaze.

2, Systémové riziká porúch otvoreného obvodu diódy
1. Mechanizmus otvoreného okruhu a typické scenáre
Otvorený obvod je zvyčajne spôsobený kolapsom zvárania, zlomením triesky alebo zlomením olova. Vo vibračných prostrediach (ako sú elektrické vozidlá) je únavová zlomenina olova bežnou príčinou; V scenároch s vysokou teplotou môže nesúlad medzi koeficientom tepelnej rozťažnosti obalu a čipu viesť k praskaniu.

2. Vplyv na úrovni systému
(1) Prerušenie prenosu energie
Strata usmerňovacieho výstupu: V trojfázovom usmerňovacom obvode, ak je dióda prerušená, spôsobí zvýšenie zvlnenia výstupného napätia. Istý projekt priemyselného napájania spôsobil zvýšenie zvlnenia výstupného napätia z 5 % na 30 % v dôsledku prerušeného obvodu diódy, čo malo za následok nesprávne fungovanie záťažového zariadenia.
Odpojený voľnobežný obvod: V indukčnom obvode akumulácie energie môže otvorená voľnobežná dióda spôsobiť, že sa energia induktora nikde neuvoľní, čo má za následok vysoké napäťové špičky. V istom projekte LED ovládača došlo k nárastu napätia induktora na 800 V (menovité 400 V) v dôsledku prerušeného obvodu vo voľnobežnej dióde, čo viedlo k poruche MOSFET.
(2) Strata ochrannej funkcie
Porucha nadprúdovej ochrany: V skupine paralelných diód, ak je jedna z diód otvorená, zostávajúce diódy musia znášať väčší prúd. Určitý projekt vyrovnávacieho obvodu akumulátora energie spôsobil preťaženie a vyhorenie ostatných diód v dôsledku otvoreného obvodu jednej diódy, čo malo za následok prebitie akumulátora.
Porucha funkcie izolácie: Pri ochrane úrovne fotovoltaického modulu môže otvorený obvod v dióde premosťovania zhoršiť efekt horúceho bodu. V dôsledku otvoreného obvodu obtokovej diódy v určitom projekte fotovoltaickej elektrárne sa teplota určitého komponentu pod prekážkou tieňa zvýšila na 150 stupňov, čo spôsobilo rozbitie skla.
(3) Stabilita systému klesá
Otvorený obvod môže spôsobiť zmeny v topológii obvodu, čo môže viesť k rezonancii alebo oscilácii. V určitom projekte nabíjacieho modulu elektrického vozidla došlo k prerušeniu obvodu diódy, čo spôsobilo rozladenie rezonančného obvodu LLC a kolísanie výstupného napätia o viac ako ± 15 %, čo spustilo ochranné vypnutie.

3, Dôsledky porúch v typických energetických systémoch
1. Fotovoltaický systém výroby energie
Náraz na úrovni komponentu: Otvorený obvod v obtokovej dióde môže spôsobiť, že teplota tepelného bodu komponentu pri čiastočnom upchatí prekročí limit, čím sa urýchli starnutie obalového materiálu; Skrat môže spôsobiť poruchu elektrického oblúka na strane DC. Podľa štatistík z 5MW fotovoltaickej elektrárne tvoria poruchy diód 18 % porúch komponentov, čo má za následok ročnú stratu viac ako 500 000 kWh výroby energie.
Náraz na úroveň meniča: Skrat usmerňovacej diódy môže spôsobiť nekontrolované napätie DC zbernice, čo vedie k explózii modulu IGBT; Otvorený obvod vedie k prerušovanému vstupnému prúdu, čo spôsobuje hluk a vibrácie transformátora.
2. Systém skladovania energie
Vplyv na vyvažovanie batérie: Prerušený obvod v dióde vyvažovacieho obvodu môže viesť k zvýšenej nekonzistencii batérie a skrátiť životnosť cyklu; Skrat môže spôsobiť prebitie/nadmerné vybitie. V dôsledku poruchy vyvažovacej diódy určitého projektu elektrárne na akumuláciu energie sa miera degradácie kapacity batérie zvýšila z 3 %/rok na 8 %/rok.
Vplyv DC/DC konverzie: Otvorený obvod synchrónnej usmerňovacej diódy môže viesť k zníženiu účinnosti o viac ako 10 %; Skrat môže spôsobiť prekročenie výstupného napätia.
3. Systém nabíjania elektrického vozidla
Náraz nabíjacieho modulu: Skrat diódy PFC obvodu môže spôsobiť prekročenie štandardnej miery skreslenia vstupného prúdu, čím sa spustí ochrana siete; Prerušený obvod spôsobí pokles účinníka pod 0,7 a výsledkom bude pokuta zo siete.
Vplyv autonabíjačky: Otvorený obvod výstupnej usmerňovacej diódy spôsobí prerušenie nabíjania; Skrat môže spôsobiť prepätie v batérii. Pri určitom incidente zvolania vozidla bolo zvolaných viac ako 20 000 vozidiel z dôvodu rizika skratu výstupnej diódy.
4, Diagnostika porúch a stratégia ochrany
1. Online monitorovacia technológia
Monitorovanie napätia/prúdu: Monitorovanie napätia a prúdu na dióde v reálnom čase pomocou Hallových senzorov, ktoré spustí alarm, ak dôjde k abnormálnemu kolísaniu presahujúcemu 10 %.
Infrared temperature measurement: Infrared thermal imager is used to monitor the surface temperature of the diode. When the junction temperature exceeds the limit (such as SiC diode>175 stupňov), automaticky sa vypne.
Analýza impedančného spektra: Injektovaním vysoko-frekvenčných signálov na zistenie ekvivalentného sériového odporu diód sa impedancia pri otvorenom obvode blíži k nekonečnu a pri skrate k nule.
2. Redundantný dizajn
Paralelná redundancia: V kritických obvodoch je paralelne zapojených viacero diód a systém môže stále fungovať v prípade jedinej poruchy. Napríklad istý veterný menič používa 4 paralelné SiC diódy a účinnosť systému sa po jedinom prerušení obvodu zníži len o 2 %.
Záložná cesta: Nainštalujte mechanický spínač paralelne s diódou v obvode proti spätnému chodu a automaticky sa prepnite na cestu spínača, keď dióda zlyhá.
3. Upgrady materiálu a procesov
Obal odolný voči vlhkosti: keramický alebo vzduchotesný obal sa používa na overenie spoľahlivosti pomocou dvojitého testovania 85° (85 stupňov /85% RH/1000h).
Spájkovanie s nízkym napätím: Použite bezolovnatú{0}}spájku a elastické vodiče na overenie odolnosti proti únave pomocou testovania vibráciami (napríklad 5 – 2 000 Hz/10 g).
5, Prípadová štúdia: Porucha diódy v konvertore veternej energie na mori
Istý projekt veternej elektrárne na mori sa nachádza v oblasti ohrozenej tajfúnom a pôvodný návrh používal obyčajné diódy na báze kremíka-. Po 2 rokoch prevádzky došlo k prerušeniu viacerých diódových vodičov (prerušený obvod) v dôsledku vibrácií a 3 diódy boli skratované v dôsledku korózie soľnou hmlou. Porucha spôsobujúca:

Prerušenie prenosu energie: 12 meničov sa vypne, čo má za následok dennú stratu viac ako 50 MWh vyrobenej energie na invertor;
Poškodenie reťazca zariadenia: explózia modulu IGBT spôsobená skratom, náklady na opravu presahujú 2 milióny juanov;
Zhoršenie stability systému: Otvorený obvod vedie k prerušovanému vstupnému prúdu a šum transformátora dosahuje 85 dB (konštrukcia<65dB).
Plán zlepšenia zahŕňa:

Aktualizácia zariadenia: Vymeňte za SiC diódy a keramický obal;
Konštrukčné vystuženie: pomocou konzol na zníženie vibrácií a troch ochranných náterov;
Aktualizácia monitorovania: Nasaďte infračervené snímače teploty a vibrácií.
Po zlepšení systém beží nepretržite 3 roky bez akýchkoľvek porúch diód, s ročným nárastom výroby energie o 12 % a znížením nákladov na údržbu o 70 %.