Kako doseči tokovno izolacijo diod v več-stopenjskih pretvorniških sistemih?

一, Fizična osnova izolacije diodnega toka
Zmožnost izolacije jedra diod izhaja iz enosmerne prevodnosti PN spojev. Pri prednapetosti se luknje v območju P in elektroni v območju N razpršijo, da tvorijo pot nizkega upora, upor pri vklopu pa je lahko le 0,1 Ω; Ko je vzvratno prednapet, se širina osiromašenega sloja razširi z naraščajočo napetostjo, tvori visokoimpedančno izolacijo na ravni megaohmov in blokira zmogljivost povratnega toka do ravni mikroamperov. Zaradi te asimetrične prevodne lastnosti je naravna tokovna izolacijska naprava.

V več-stopenjskem pretvorniškem sistemu diode dosežejo medstopenjsko izolacijo s konstruiranjem enosmerne tokovne poti. Na primer, v dvo-stopenjskem fotonapetostnem pretvorniku lahko izolacijska dioda, ki je vzporedno povezana na izhodu sprednjega-pretvornika DC/DC, prepreči povratni tok toka, ki ga povzročijo napake v-zadnjem pretvorniku, in zaščiti sprednje-napajalne naprave. Eksperimentalni podatki kažejo, da je pri uporabi signalne diode 1N4148 povratni tok uhajanja le 0,1 μA pri povratni napetosti 50 V, učinkovita izolacija pa presega 99,999 %.

2, Tipične izolacijske aplikacije v več-stopenjskih pretvorniških sistemih
1. Izbira poti moči za kaskadne H-mostne pretvornike
V kaskadnem mostu H- STATCOM (statični sinhroni kompenzator) je vsaka enota mostu H- vzporedno povezana prek kondenzatorja na enosmerni strani. Ko v določeni enoti pride do napake kratkega stika stranskega kondenzatorja DC, lahko Schottky diode (kot je SB560, s padcem napetosti naprej 0,5 V), ki so vzporedno povezane na oba konca kondenzatorja, samodejno blokirajo širjenje toka napake na druge zdrave enote. Simulacija kaže, da ta shema omogoča sistemu, da dokonča izolacijo napake v 0,1 ms, kar je glede hitrosti odziva tri reda velikosti hitreje od tradicionalnih relejnih shem.

2. Izolacija podmodula modularnega večnivojskega pretvornika (MMC)
Podmodul MMC sprejme strukturo pol mostu. Ko je napetost kondenzatorja podmodula neuravnotežena, lahko serijsko povezana dioda za hitro obnovitev (kot je RF306, povratni čas obnovitve 35 ns) 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.

3. Zasnova redundantnega napajanja za pretvornike, povezane s fotovoltaičnim omrežjem
V nizih fotovoltaičnih pretvornikov se uporablja več kanalov MPPT (Maximum Power Point Tracking) za doseganje redundance 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, da zagotovi stabilno izhodno moč. 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.

3, Inženirska optimizacija in strategije za izboljšanje učinkovitosti
1. Izbira diod z majhnimi izgubami
Padec napetosti naprej (0,6–0,7 V) tradicionalnih silicijevih diod lahko povzroči znatne izgube pri aplikacijah z visokim tokom. Uporaba Schottky diod iz silicijevega karbida (SiC) (kot je C3D06060A, padec napetosti naprej) 1,3 V@10 A ) Lahko zmanjša izgubo 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.

2. Optimizacija funkcije povratne obnovitve
V aplikacijah visokofrekvenčnega stikala povratni obnovitveni čas (trr) diod neposredno vpliva na izgube stikala. Uporaba diod za hitro obnovitev (kot je FR307, trr=100ns) lahko zmanjša stikalne izgube IGBT za 35 % v primerjavi z običajnimi usmerniki (trr=500ns). Po sprejetju te sheme se je izkoristek polne obremenitve pretvornikov serije Siemens SIRIUS povečal z 98,2 % na 98,7 %.

3. Integrirana rešitev izolacije
Idealen diodni krmilnik, ki temelji na MOSFET (kot je LM5050), z aktivnim nadzorom doseže ničelni povratni čas obnovitve. V Teslovem sistemu za shranjevanje energije Megapack ta rešitev zmanjša izgubo izolacije med grozdi z 2,5 W na 0,3 W in izboljša učinkovitost sistemskega cikla za 0,2 odstotne točke. Hkrati je njegov padec prevodne napetosti 0,05 V zmanjšan za 90 % v primerjavi s tradicionalnimi diodami, kar bistveno izboljša učinkovitost pretvorbe energije.

4, Frontier tehnološki trendi
1. Uporaba širokopasovnih polprevodniških naprav
Gallium nitride (GaN) diodes are gradually replacing silicon devices in high-end fields such as 5G base station power supplies and aerospace power supplies due to their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1 GHz). 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. Serija inteligentnih izolacijskih diod Power Grid, ki jo je lansiralo podjetje ABB, spremlja parametre, kot sta temperatura spoja in tok, v realnem času prek vgrajenih-senzorjev in opozori na morebitne napake 0,5 ms vnaprej, s čimer se sistemski srednji čas med napakami (MTBF) poveča na 200000 ur.

5, Ključni premisleki v inženirski praksi
1. Zasnova ujemanja parametrov
Izbira diod zahteva celovito preučitev padca napetosti naprej (Vf), časa povratne obnovitve (trr), največje povratne napetosti (VRRM) in nazivnega toka (IF). Na primer, v fotovoltaičnem sistemu 1500 V je treba izbrati diode z VRRM, večjim ali enakim 1800 V, in rezervirati 30-odstotno tokovno rezervo.

2. Optimizacija toplotnega upravljanja
V-aplikacijah z visoko močjo 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.

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.

6, Primeri uporabe v industriji
1. Fotovoltaični pretvornik Huawei SUN2000-125KTL
Ta izdelek uporablja kaskadno topologijo mostu H-, pri čemer je vsak izhod mosta H- povezan vzporedno z diodo za hitro obnovitev (BYV29-1000, trr=50ns), da se doseže medstopenjska tokovna izolacija. Dejanski testni podatki kažejo, da se v delno oviranih scenarijih proizvodnja električne energije sistema poveča za 9,3 % v primerjavi s tradicionalnimi rešitvami, učinkovitost v Evropi pa doseže 98,8 %.

2. Stabilizator mreže Siemens SICAM AIS
V aplikacijah STATCOM naprava uporablja module silicijeve karbidne diode (C4D20120D) za zmanjšanje preklopnih izgub podmodulov za 40 %. Dejanske meritve nemškega električnega omrežja kažejo, da se je odzivni čas sistema skrajšal z 10 ms na 3 ms, zmogljivost dinamične podpore jalove moči pa se je povečala za trikrat.