Kako diode izvajajo nadzor smeri signala v električnem omrežju?

一, Fizikalna osnova enosmerne prevodnosti diod
Struktura jedra diode je spoj PN, ki tvori osiromašeno območje na stičišču polprevodnika tipa P- (bogato z luknjami) in polprevodnika tipa N- (bogato z elektroni). Ko je dioda nagnjena naprej (s priključkom P, ki je povezan s pozitivno elektrodo, in s priključkom N, povezanim z negativno elektrodo), se območje izčrpanosti zoži in nosilci tečejo prosto ter tvorijo pot nizkega upora; Ko je vzvratno pristransko, se območje izčrpanosti razširi, kar omogoča prehod samo mikroamperskega toka uhajanja, kar predstavlja stanje visoke upornosti. Zaradi te lastnosti so diode naravni "elektronski ventil", ki lahko natančno nadzoruje smer toka.

Ključni parametri:

Padec napetosti naprej (VF): približno 0,6–0,7 V za silicijeve diode in le 0,15–0,4 V za Schottky diode.
Reverse Recovery Time (TRR): Običajne diode imajo čas obnovitve nekaj sto nanosekund, diode s hitro obnovitvijo je mogoče skrajšati na desetine nanosekund, Schottkyjeve diode pa imajo skoraj ničelni čas obnovitve.
Povratna prebojna napetost (VRRM): Določa največjo povratno napetost, ki jo lahko prenese dioda, in je ključni indikator za izbiro v aplikacijah električnega omrežja.
2, Tipični scenariji uporabe nadzora smeri signala električnega omrežja
1. Popravljalni in enosmerni napajalni sistem
V povezavi za prenos enosmernega toka v električnem omrežju diodni usmerniški mostovi (kot so tri-fazni polni mostovi) pretvarjajo izmenični tok v enosmerni tok, kar zagotavlja osnovo za visoko{1}}napetostni prenos enosmernega toka (HVDC). Na primer, pri ultra-visokonapetostnih projektih enosmernega toka ± 800 kV morajo diodni usmerniki prenesti na tisoče amperov toka in več megavoltov napetosti, njihove karakteristike povratne obnovitve pa neposredno vplivajo na učinkovitost sistema.

Strategija optimizacije:

Uporaba diod za hitro obnovitev (FRD) ali diod iz silicijevega karbida (SiC) za zmanjšanje izgub povratne obnovitve.
Z uporabo tehnologije vzporedne delitve toka za razpršitev toka in izboljšanje zanesljivosti naprave.
2. Smerna izolacija pri vključevanju nove energije v omrežje
V fotonapetostnih pretvornikih in pretvornikih vetrne energije se diode uporabljajo za preprečevanje povratnega napajanja v omrežju. Na primer, fotovoltaični nizi so povezani z razsmerniki prek diod. Ko električno omrežje odpove ali se pretvornik izklopi, diode samodejno blokirajo povratni tok in tako zaščitijo opremo pred poškodbami.

Analiza primera:
Fotovoltaična elektrarna z močjo 10 MW ima modularno vzporedno zasnovo, pri čemer je vsaka fotovoltaična veja zaporedno povezana z diodami. Dejanski preskusni podatki kažejo, da ko napetost omrežja pade na 30 %, lahko dioda hitro blokira povratni tok, s čimer zagotovi stabilno enosmerno stransko napetost pretvornika in prepreči prenapetost opreme.

3. Relejna zaščita in izolacija napak
V napravi za relejno zaščito električnega omrežja so diode kombinirane z napravami, kot so tiristorji in IGBT-ji, da se doseže hiter-izklop okvarnih tokov. Na primer, odklopniki enosmernega tokokroga uporabljajo povratno blokirno karakteristiko diod, da izolirajo okvarjeno vejo v primeru napake in preprečijo širjenje napake.

Tehnološki preboj:
DC odklopnik, ki temelji na SiC MOSFET in diodnem hibridu, lahko prekine na tisoče amperov toka napake v 5 ms, z odzivno hitrostjo, ki je več kot 10-krat hitrejša od tradicionalnih mehanskih odklopnikov.

4. Modulacija signala in komunikacija
Pri komunikaciji z nosilci moči (PLC) se diode uporabljajo za modulacijo in demodulacijo signala. Na primer, z uporabo diodnega zaznavalnega vezja za pridobivanje visoko-frekvenčnih komunikacijskih signalov je mogoče doseči-prenos podatkov električnega omrežja v realnem času.

Primer aplikacije:
Pri gradnji državnega omrežja »Ubiquitous Power Internet of Things« lahko moduli PLC, ki uporabljajo tehnologijo zaznavanja diod, dosežejo prenos podatkov 1 Mbps na 10 kV distribucijskih vodih s stopnjo napak manj kot 10 ^ -6.

3, Izzivi in ​​strategije optimizacije v aplikacijah elektroenergetskega omrežja
1. Težave z zanesljivostjo pri visoki-napetosti in visokih tokovih
Pri ultra-visokonapetostnem prenosu enosmernega toka morajo diode prenesti več deset tisoč amperov toka in več megavoltov napetosti, njihove karakteristike povratne obnovitve pa lahko povzročijo napetostne konice, kar povzroči okvaro naprave.

rešitev:

Izbira naprave: SiC diode so prednostne, saj imajo 90 % krajši povratni čas obnovitve in 50 % zmanjšanje izgube prevodnosti v primerjavi s silicijevimi diodami.
Zasnova absorpcijskega vezja: vzporedno vezje RC vmesnega pomnilnika je priključeno na obeh koncih diode za zatiranje napetostnih konic. Na primer, v projektu ± 1100 kV DC je bila konična napetost zmanjšana z 2,1-kratne nazivne vrednosti na 1,3-krat z optimizacijo parametrov RC.
2. Zatiranje elektromagnetnih motenj (EMI).
Visoko-frekvenčno nihanje, ki nastane med povratnim postopkom obnovitve diod, lahko povzroči EMI in moti komunikacijsko opremo električnega omrežja.

Optimizacijski ukrepi:

Optimizacija postavitve: Skrajšajte dolžino diodnih vodnikov in zmanjšajte razpršeno induktivnost.
Zasnova filtra: dodajte induktivnost običajnega načina in kondenzator Y na izhodni priključek diode, da zadušite visoko{0}}frekvenčni šum. Dejansko testiranje kaže, da je optimizirana intenzivnost sevanja EMI zmanjšana za 15 dB.
3. Upravljanje temperature in življenjske dobe
Delovno okolje opreme električnega omrežja je zapleteno in visoke temperature lahko povzročijo zvišanje temperature spoja diod in staranje komponent pospeševalnika.

Tehnična pot:

Toplotna zasnova: uporaba toplotnih odvodov in tehnologije tekočega hlajenja za nadzor temperature spoja pod 150 stopinj.
Napoved življenjske dobe: Na podlagi temperature spoja in trenutnega napetostnega modela vzpostavite algoritem za napoved življenjske dobe diode, da dosežete preventivno vzdrževanje.