Kako diode izolirajo lokalna vezja med napakami v električnem omrežju?

一, Fizični mehanizem izolacije napake diode
Struktura PN spoja diode ji daje naravno sposobnost blokiranja toka. Ko pride do napake kratkega stika v električnem omrežju, napetost na mestu napake močno pade in tvori električno polje z obratno prednapetostjo. V tem času dioda preide v stanje izklopa in povratni upor lahko doseže raven megaohmov. Če za primer vzamemo sistem, povezan s fotonapetostnim omrežjem, ko pride do kratkega stika med dvema poloma na strani enosmernega toka, lahko Schottky dioda (kot je SB560, s padcem napetosti naprej 0,5 V), ki je vzporedno priključena na oba konca fotonapetostnega modula, prenese povratno napetost nad 1000 V in popolno blokado toka v 0,1 μs, kar je trije velikostni razredi. hitrejši od tradicionalnih relejnih shem.

V komunikacijskih sistemih so izolacijske značilnosti diod tesno povezane z vrsto napake. Ko pride do eno-fazne ozemljitvene napake, napetost faze brez napake naraste na raven napetosti omrežja. Trenutno lahko dioda za hitro obnovitev (kot je FR307, povratni čas obnovitve 100 ns), ki je proti vzporedno povezana na oba konca preklopne naprave, učinkovito prepreči prekomerno polnjenje kondenzatorja. Glede na podatke Tennetovega projekta prenosa ± 500 kV DC v Nemčiji se je po sprejetju te sheme obseg nihanja napetosti kondenzatorja podmodula zmanjšal z ± 15 % na ± 3 %, učinkovitost sistema pa se je izboljšala za 1,2 odstotne točke.

2, Uporaba izolacije tipičnih scenarijev napak
1. Območje napak v distribucijskem sistemu enosmernega toka
V distribucijskem sistemu z enosmernim tokom, ki temelji na diodi, ko v liniji pride do stalnega dvopolnega kratkega stika, se začetni tok okvarjenega voda hitro dvigne na 8,3 kA, medtem ko končni tok upade na 0 v 1 ms zaradi obratne prekinitvene karakteristike diode. Raziskava, ki jo je izvedla ekipa Li Bina na Univerzi v Tianjinu, kaže, da lahko ta shema omeji obseg vpliva napak med dvema pretvorniškima postajama, zmanjša ga za 60 % v primerjavi s tradicionalnimi shemami in skrajša čas padca napetosti z 200 ms na 20 ms, kar bistveno izboljša zanesljivost napajanja.

V specifični izvedbi je vsak segment vodila DC opremljen z antiparalelnim diodnim modulom. Ko tok napake preseže prag, hitra preklopna naprava prekine pot napake v 100 μs, dioda pa samodejno tvori izolacijsko pregrado. Po sprejetju te tehnologije je fotonapetostni pretvornik Huawei SUN2000-125KTL povečal proizvodnjo električne energije za 9,3 % v scenarijih z delno ovirami, z evropsko učinkovitostjo 98,8 %.

2. Modularna večnivojska zaščita pretvornika
V podmodulu MMC diode in IGBT tvorijo dvosmerno blokirno strukturo. Ko napetostno neravnovesje kondenzatorja submodula preseže 10 %, zaporedno povezana silicijeva karbidna dioda (kot je C3D06060A) doživi padec napetosti naprej 1,3 V@10 A ) Lahko prepreči prekomerno polnjenje kondenzatorja. Po sprejetju te sheme je stabilizator omrežja Siemens SICAM AIS zmanjšal izgube preklapljanja podmodula za 40 % in skrajšal odzivni čas sistema z 10 ms na 3 ms.

V inženirski praksi je treba upoštevati značilnosti povratne obnovitve diod. Uporaba diod za hitro obnovitev (kot je FR307) lahko zmanjša stikalne izgube IGBT za 35 % v primerjavi z običajnimi usmerniki. ABB-jeve inteligentne izolacijske diode serije Power Grid spremljajo temperaturo spoja, tok in druge parametre v realnem času prek vgrajenih-senzorjev, opozarjajo na morebitne napake 0,5 ms vnaprej in povečajo povprečni čas med okvarami sistema na 200000 ur.

3. Redundantna zasnova porazdeljenih virov energije
V nizih fotonapetostnih pretvornikov več kanalov MPPT doseže redundanco moči prek diod ali vratnih vezij. Ko se izhodna moč določenega kanala zmanjša zaradi senčne obstrukcije, Schottky dioda (kot je MBR2045CT, s padcem napetosti naprej 0,32 V) samodejno preklopi na zdrav kanal. Preizkusi so pokazali, da lahko ta shema poveča proizvodnjo električne energije fotonapetostnih nizov za 8% -12%, zlasti v scenarijih z delno ovirami, kjer so prednosti pomembne.

Sistem za shranjevanje energije Tesla Megapack sprejme integrirano izolacijsko shemo in idealen diodni krmilnik, ki temelji na MOSFET (kot je LM5050), doseže nič povratnega časa obnovitve. Ta shema zmanjša izgubo izolacije med baterijskimi skupinami z 2,5 W na 0,3 W, izboljša učinkovitost sistemskega cikla za 0,2 odstotne točke in zmanjša padec prevodne napetosti 0,05 V za 90 % v primerjavi s tradicionalnimi diodami.

3, Inženirska optimizacija in strategije za izboljšanje učinkovitosti
1. Izbira komponent z nizkimi izgubami
Izguba prevodnosti tradicionalnih silicijevih diod je postala ozko grlo pri visoko-frekvenčnih aplikacijah. Uporaba Schottky diod iz silicijevega karbida lahko zmanjša izgube prevodnosti za 60 %. V 100kW fotovoltaičnem pretvorniku ta shema zmanjša izgube diode s 120W na 48W in izboljša učinkovitost sistema za 0,05 odstotne točke. GaN dioda EPC2054, ki jo je lansiralo podjetje EPC, ima padec napetosti naprej samo 0,2 V pri toku 10 A, kar je 85 % nižje od naprav SiC.

2. Optimizacija toplotnega upravljanja
Pri visoko-napetostnih aplikacijah je nadzor temperature spoja diod ključnega pomena. Sestavljena shema odvajanja toplote z uporabo toplotno prevodne silikonske masti (toplotna upornost 0,5 stopinje/W) in aluminijaste podlage (toplotna upornost 1 stopinja/W) lahko zniža temperaturo spoja s 125 stopinj na 85 stopinj pod tokom 100 A, kar podaljša življenjsko dobo naprave za več kot trikrat. Razsmerniki Huawei uporabljajo tehnologijo tekočinskega hlajenja za nadzor temperature spoja diod znotraj 105 stopinj in povečajo gostoto moči na 1,2 kW/kg.

3. Zasnova elektromagnetne združljivosti
Hrup di/dt, ki ga ustvarjajo diodna stikala, je treba zadušiti z vmesnim vezjem RC. V pretvorniku z močjo 10 kW lahko vmesni tokokrog, ki uporablja filmske kondenzatorje 0,1 μF in upore 10 Ω, zmanjša prekoračitev napetosti s 50 V na 5 V, kar ustreza standardu elektromagnetne združljivosti IEC 61000-4-5. Inteligentna izolacijska dioda serije Siemens SIRIUS prek vgrajenega RC omrežja duši šum stikala pod 20 dB.

4, Frontier tehnološki trendi
1. Polprevodniške aplikacije s široko pasovno vrzeljo
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz), postopoma nadomeščajo silicijeve naprave na-področjih višjega cenovnega razreda, kot so napajalniki baznih postaj 5G in napajalniki za vesoljska letala. GaN dioda EPC2054, ki jo je lansiralo podjetje EPC, ima padec napetosti naprej samo 0,2 V pri toku 10 A, kar je 85 % nižje od naprav SiC.

2. Integracija tehnologije inteligentne izolacije
Inteligentni diodni modul v kombinaciji z digitalno krmilno tehnologijo lahko doseže dinamično kompenzacijo padca napetosti in napovedovanje napak. Inteligentne izolacijske diode serije Power Grid, ki jih je predstavilo podjetje ABB, spremljajo temperaturo spoja, tok in druge parametre v realnem času prek vgrajenih-senzorjev in opozorijo na morebitne napake 0,5 ms vnaprej, s čimer povečajo povprečni čas brez napak v sistemu na 200000 ur.

5, Primeri uporabe v industriji
1. Tennet DC prenos projekt v Nemčiji
V projektu prenosa ± 500 kV DC podmodul MMC z uporabo modulov silicijeve karbidne diode zmanjša obseg nihanja napetosti kondenzatorja podmodula z ± 15 % na ± 3 % in izboljša učinkovitost sistema za 1,2 odstotne točke. Letna prenosna zmogljivost tega projekta dosega 12 milijard kilovatnih ur, kar je enako zmanjšanju porabe standardnega premoga za 3,6 milijona ton.

2. Sistem za shranjevanje energije Tesla Megapack
Shema izolacije baterijskega grozda, ki temelji na diodah GaN, izboljša učinkovitost sistemskega cikla za 0,2 odstotne točke, hkrati pa zmanjša padec prevodne napetosti za 90 % v primerjavi s tradicionalnimi diodami pri 0,05 V. Sistem je bil globalno nameščen za več kot 10 GWh in podpira porabo obnovljive energije.