Aký je vplyv poruchy diódy na menič?

一, Typy a fyzikálne mechanizmy prierazu diód
Rozpad diód možno rozdeliť na dva typy: elektrický prieraz a tepelný prieraz a ich fyzikálne mechanizmy úzko súvisia s materiálovými vlastnosťami, koncentráciou dopingu, teplotou a ďalšími faktormi.

1. Elektrický rozpad: reverzibilný fyzikálny proces
Elektrická porucha zahŕňa dva mechanizmy: Zenerovu poruchu a lavínovú poruchu

Zenerov zlom: vyskytuje sa vo vysoko dopovaných PN prechodoch (ako sú regulátory napätia), kde je šírka vrstvy vyčerpania extrémne úzka (<1 μ m). Under the action of reverse voltage, a strong electric field directly pulls out the valence electrons in covalent bonds, forming electron hole pairs, resulting in a sharp increase in reverse current. Zener breakdown voltage is usually below 4V and has a negative temperature coefficient (breakdown voltage decreases with increasing temperature).
Avalanche breakdown: commonly seen in low doped PN junctions, with a wide depletion layer (>10 μm). Reverzné napätie urýchľuje menšinové nosiče, čo spôsobuje, že sa zrážajú s mriežkou a vytvárajú nové nosiče, čím sa vytvorí lavínová reťazová reakcia. Prierazné napätie lavín je vo všeobecnosti vyššie ako 6V a má kladný teplotný koeficient (prierazné napätie sa zvyšuje s teplotou).
Elektrický rozpad je v podstate reverzibilný fyzikálny proces.

2. Tepelný rozpad: nezvratné katastrofické zlyhanie
Keď sa spätný prúd po elektrickom výpadku ďalej zvyšuje, alebo keď sa v obvode vykonajú opatrenia s nekonečným prúdom, spotreba energie PN prechodu prekročí limitnú hodnotu, čo má za následok prudký nárast teploty prechodu. V tomto bode valenčné elektróny v kovalentnej väzbe získajú dostatočnú energiu na to, aby sa oslobodili od atómových obmedzení, čím sa vytvorí veľké množstvo párov voľných elektrónových dier, čo ďalej zhorší súčasný rast a vytvorí pozitívnu spätnú väzbu. Nakoniec sa prechod PN roztaví v dôsledku prehriatia, čím sa vytvorí trvalý skrat, známy ako tepelná porucha. Tepelný prieraz je nevratný a dióda úplne stratí svoju funkciu.

2, Priame poškodenie poruchy diódy na meničoch
Diódy v meničoch sa používajú hlavne na usmerňovanie, voľnobeh a upínanie a ich porucha môže spôsobiť šírenie porúch v rôznych cestách.

1. Porucha usmerňovacej diódy: skrat napájania a výbuch kondenzátora
Vo fotovoltaických invertoroch alebo priemyselných zdrojoch energie pozostáva usmerňovací mostík zo 6 diód (3 spoločné katódy a 3 spoločné anódy). Ak sa jedna dióda tepelne rozbije a vytvorí skrat, spôsobí to priame vedenie kladných a záporných pólov zbernice jednosmerného prúdu, čo vedie ku skratu napájania. V tomto bode sa filtračný kondenzátor rýchlo zahreje v dôsledku nadprúdu, čo spôsobí odparovanie a expanziu elektrolytu, čo môže viesť k výbuchu. Napríklad v istej fotovoltaickej elektrárni spôsobila porucha usmerňovacej diódy explóziu kondenzátora na strane DC, čo malo za následok zošrotovanie celého invertorového modulu a priamu ekonomickú stratu viac ako 100 000 juanov.
2. Porucha svorkovej diódy: Napätie zbernice je mimo kontroly
Vo viac{0}}úrovňových meničoch sa na obmedzenie kolísania napätia zbernice DC používajú svorkové diódy. Ak sa upínacia dióda pokazí, napätie zbernice môže prekročiť rozsah výdržného napätia IGBT, čo spôsobí prerušenie reťaze. Napríklad pri vysokonapäťovom frekvenčnom meniči došlo k poruche svorkovej diódy, čo spôsobilo nárast napätia jednosmernej zbernice zo 600 V na 900 V, čo malo za následok poškodenie všetkých 12 modulov IGBT a čas vypnutia systému až 72 hodín.

3, Vplyv poruchy diódy na úrovni systému
1. Elektromagnetické rušenie (EMI) a skreslenie signálu
Keď sa dióda pokazí, rýchla zmena skratového -prúdu vygeneruje vysoko-frekvenčné elektromagnetické rušenie, ktoré je prepojené s riadiacim obvodom cez parazitnú kapacitu a spôsobuje skreslenie signálu pohonu IGBT. V prípade meniča veternej energie viedlo EMI rušenie spôsobené poruchou voľnobežnej diódy k 10 μs strate impulzu hnacieho signálu IGBT, čo spôsobilo kolísanie krútiaceho momentu motora nad 20 % a spustenie mechanického vibračného alarmu.
2. Nesprávna činnosť ochranného obvodu a paralýza systému
Moderné meniče sú zvyčajne vybavené funkciami ochrany proti nadprúdu, prepätiu a prehriatiu. Porucha diódy však môže viesť k nesprávnemu posúdeniu ochranného obvodu:
Nesprávna činnosť nadprúdovej ochrany: Skratový prúd môže byť zamenený za náhlu zmenu záťaže, ktorá spustí ochranu obmedzujúcu prúd a spôsobí zníženie výkonu systému;
Porucha prepäťovej ochrany: Ak sa pokazí svorková dióda, zlyhá bod sledovania napätia zbernice a prepäťovú ochranu nie je možné aktivovať;
Oneskorenie ochrany proti prehriatiu: Teplota v bode poruchy diódy môže byť vyššia ako teplota v bode monitorovania snímača, čo spôsobuje oneskorenie pri spustení ochrany proti prehriatiu.
V prípade trakčného striedača v určitom železničnom tranzite porucha usmerňovacej diódy spôsobila nesprávnu činnosť nadprúdovej ochrany, čo malo za následok časté zníženie výkonu systému. Nakoniec kvôli akumulácii tepla modul IGBT explodoval a vlak bol na 12 hodín zastavený.
4, Stratégia ochrany a návrh spoľahlivosti
1. Návrh obvodu: redundancia a obmedzenie prúdu
Redundantný dizajn: V usmerňovacom mostíku je použitá redundantná konfigurácia „N+1“, čo znamená, že ďalšie diódy sú zapojené paralelne. Keď sa pokazí jedna dióda, systém môže stále pracovať so zníženou kapacitou;
Rezistor obmedzujúci prúd: Zapojte malé odporové odpory (napríklad 0,1 Ω/5W) do série cez diódu, aby ste obmedzili špičkový skratový-prúd;
Obvod vyrovnávacej pamäte RC: Pridajte obvod vyrovnávacej pamäte RC (napríklad C=0.1 μF, R=10 Ω) k paralelnému obvodu diódy IGBT, aby ste absorbovali prepätie pri vypnutí a znížili spätné napätie diódy.
2. Monitorovanie systému: diagnostika-v reálnom čase a prediktívna údržba
Infračervená termovízna detekcia: Monitorovanie teploty plášťa diódy v reálnom čase pomocou infračervenej termokamery, ktorá spustí alarm, keď teplota prekročí menovitú hodnotu 15 stupňov;
Monitorovanie elektrických parametrov: Monitorovanie prúdu diódy v reálnom čase prostredníctvom prúdových snímačov (ako sú Hallove snímače) a ochrana sa aktivuje, keď prúd prekročí 1,2-násobok menovitej hodnoty;
Predpovedanie porúch AI: Trénujte modely strojového učenia založené na historických údajoch, aby ste mohli predpovedať zostávajúcu životnosť (RUL) diód a vopred vymeňte vysokorizikové komponenty.