Kakšne so posledice kratkega stika diode ali odprtega tokokroga na energetski sistem?

一, Verižna reakcija napake kratkega stika diode
1. Mehanizem kratkega stika in sprožilni pogoji
Kratek stik diode običajno povzroči okvara čipa, pokanje embalaže ali slabo spajkanje. V okoljih z visoko temperaturo in visoko vlažnostjo lahko absorpcija vlage in raztezanje embalažnih materialov povzročita zlom notranje metalizirane plasti; V scenarijih prenapetosti lahko PN spoji zaradi plazovite okvare trajno vodijo. Na primer, pri projektu fotovoltaičnega pretvornika je prišlo do kratkega stika v 10 ms zaradi povratne prenapetosti diode, ki jo je povzročil udar strele.

2. Vpliv na ravni sistema
(1) Sprememba poti prenosa energije
Napaka v usmerniškem vezju: Če je v mostičnem usmerniškem vezju dioda v kratkem stiku, bo to povzročilo neposredno prevodnost med AC in DC stranjo, kar bo povzročilo nasičenost transformatorja ali induktorja. Zaradi kratkega stika v usmerniški diodi določenega projekta sistema za shranjevanje energije je vhodni tok narasel na trikratno nazivno vrednost in transformator je v 5 sekundah pregorel.
Kratek stik v tokokrogu prostega teka: v tokokrogih motornega pogona ali induktivnega shranjevanja energije lahko kratek-stik v diodi prostega teka poškoduje povratno pot energije. Na primer, pri določenem projektu pretvornika električnega vozila je bila zaradi kratkega stika v diodi za prosti tek povratna elektromotorna sila motorja neposredno uporabljena na napajalno napravo, kar je povzročilo eksplozijo modula IGBT v 100 μs.
(2) Okvara zaščitnega mehanizma
Napaka proti povratni zaščiti: V sistemih z enosmernim tokom lahko kratek stik v protiobratni diodi povzroči neposredno škodo na opremi, ko je polarnost napajanja obrnjena. Projekt UPS v določenem podatkovnem centru je utrpel izgube v višini več kot 500.000 juanov zaradi kratkega-stika protiobratne diode, zaradi česar je usmerniški modul pregorel med nepravilnim vzdrževanjem.
Obvod prenapetostne zaščite: Kratek stik diode TVS bo povzročil izgubo vpenjalne funkcije in prenapetost se bo neposredno prenesla na naslednje vezje. Zaradi kratkega stika diode TVS v določenem projektu fotonapetostnega niza je izhodna napetost komponent narasla na 1000 V (nazivno 600 V), kar je povzročilo -okvare pretvornika velikega obsega.
(3) Nevarnost toplotnega uhajanja
Kratek stik povzroči spremembo tokovne poti, kar povzroči znatno povečanje lokalne gostote toka. Preizkus projekta pretvornika vetrne energije je pokazal, da se je po kratkem stiku diode temperatura spoja sosednjih napajalnih naprav v 2 sekundah dvignila s 85 stopinj na 200 stopinj, kar je povzročilo verižni toplotni umik.

2, Sistemske nevarnosti okvar odprtega tokokroga diode
1. Mehanizem odprtega kroga in tipični scenariji
Odprt tokokrog je običajno posledica kolapsa varjenja, zloma ostružkov ali zloma svinca. V okoljih z vibracijami (kot so električna vozila) je zlom zaradi utrujenosti svinca pogost vzrok; Pri visokih temperaturah lahko neskladje med koeficientom toplotnega raztezanja embalaže in čipa povzroči razpoke.

2. Vpliv na ravni sistema
(1) Prekinitev prenosa energije
Izhodna izguba usmerjevalnika: Če je dioda v tri-faznem usmerjevalnem vezju odprta, bo to povzročilo povečanje valovanja izhodne napetosti. Določen projekt industrijskega napajanja je povzročil, da se je valovitost izhodne napetosti povečala s 5 % na 30 % zaradi odprtega kroga diode, kar je povzročilo napačno delovanje bremenske opreme.
Odklopljeno vezje prostega teka: V vezju za induktivno shranjevanje energije lahko odprta dioda prostega teka povzroči, da se energija induktorja nikjer ne sprosti, kar povzroči visokonapetostne konice. Pri določenem projektu gonilnika LED je prišlo do skoka napetosti induktorja na 800 V (nazivno 400 V) zaradi odprtega tokokroga v diodi s prostim tekom, kar je povzročilo okvaro MOSFET-a.
(2) Izguba zaščitne funkcije
Napaka nadtokovne zaščite: V vzporedni skupini diod, če je ena od diod odprta, morajo preostale diode prenašati večji tok. Določen projekt vezja za uravnoteženje baterije za shranjevanje energije je povzročil preobremenitev in izgorelost drugih diod zaradi odprtega kroga ene diode, kar je povzročilo prekomerno polnjenje paketa baterij.
Napaka izolacijske funkcije: Pri ravni zaščite fotovoltaičnega modula lahko odprto vezje v obvodni diodi poslabša učinek vroče točke. Zaradi odprtega kroga obvodne diode v določenem projektu fotonapetostne elektrarne se je temperatura določene komponente dvignila na 150 stopinj pod senčno obstrukcijo, kar je povzročilo razbitje stekla.
(3) Stabilnost sistema se zmanjša
Odprto vezje lahko povzroči spremembe v topologiji vezja, kar lahko povzroči resonanco ali nihanje. Pri določenem projektu modula za polnjenje električnih vozil je prišlo do odprtega tokokroga diode, zaradi česar se je resonančno vezje LLC razglasilo in je izhodna napetost nihala za več kot ± 15 %, kar je sprožilo zaščitni izklop.

3, Posledice okvar v tipičnih energetskih sistemih
1. Fotovoltaični sistem za proizvodnjo električne energije
Vpliv na ravni komponente: Odprto vezje v obvodni diodi lahko povzroči, da temperatura toplotne točke komponente preseže mejo, ko je delno ovirana, kar pospeši staranje embalažnega materiala; Kratek stik lahko povzroči napako stranskega obloka DC. Po statističnih podatkih fotovoltaične elektrarne z močjo 5 MW okvare diod predstavljajo 18 % okvar komponent, kar povzroči letno izgubo več kot 500 000 kWh električne energije.
Vpliv na nivo pretvornika: Kratek stik usmerniške diode lahko povzroči nenadzorovano napetost enosmernega vodila, kar povzroči eksplozijo modula IGBT; Odprto vezje vodi do prekinitev vhodnega toka, kar povzroča hrup transformatorja in vibracije.
2. Sistem za shranjevanje energije
Vpliv uravnoteženja akumulatorja: Odprto vezje v diodi uravnoteženega kroga lahko povzroči večjo nedoslednost v paketu baterij in skrajša življenjsko dobo; Kratek stik lahko povzroči prekomerno polnjenje/prekomerno praznjenje. Zaradi napake na izravnalni diodi določenega projekta elektrarne za shranjevanje energije se je stopnja zmanjšanja zmogljivosti paketa baterij povečala s 3 %/leto na 8 %/leto.
Vpliv pretvorbe DC/DC: Odprto vezje sinhronske usmerniške diode lahko povzroči zmanjšanje učinkovitosti za več kot 10 %; Kratek stik lahko povzroči prekoračitev izhodne napetosti.
3. Sistem za polnjenje električnih vozil
Vpliv polnilnega modula: kratek stik diode vezja PFC lahko povzroči, da stopnja popačenja vhodnega toka preseže standard, kar sproži zaščito omrežja; Odprto vezje bo povzročilo padec faktorja moči pod 0,7 in povzročilo globo iz električnega omrežja.
Vpliv avtomobilskega polnilnika: odprt tokokrog izhodne usmerniške diode bo povzročil prekinitev polnjenja; Kratek stik lahko povzroči prenapetost v bateriji. V določenem incidentu vpoklica vozil je bilo odpoklicanih več kot 20000 vozil zaradi nevarnosti kratkega stika izhodne diode.
4, Diagnoza napak in strategija zaščite
1. Tehnologija spletnega spremljanja
Nadzor napetosti/toka: spremljanje napetosti in toka na diodi v realnem času prek Hallovih senzorjev, ki sproži alarm, če pride do nenormalnega nihanja, ki presega 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 stopinj), se bo samodejno izklopil.
Analiza impedančnega spektra: z vbrizgavanjem visoko{0}}frekvenčnih signalov za zaznavanje enakovrednega serijskega upora diod se impedanca približa neskončnosti v odprtem tokokrogu in ničli v kratkem stiku.
2. Odvečna zasnova
Vzporedna redundanca: Več diod je vzporedno povezanih v kritičnih tokokrogih in sistem lahko še vedno deluje v primeru ene napake. Na primer, določen vetrni pretvornik uporablja 4 vzporedne SiC diode, učinkovitost sistema pa se zmanjša le za 2 % po enem samem odprtem krogu.
Rezervna pot: Namestite mehansko stikalo vzporedno z diodo v vezju proti vzvratni smeri in samodejno preklopite na pot stikala, ko dioda odpove.
3. Nadgradnje materialov in procesov
Embalaža, odporna na vlago: keramična ali nepredušna embalaža se uporablja za preverjanje zanesljivosti z dvojnim testiranjem 85 (85 stopinj /85% RH/1000h).
Spajkanje z nizko obremenitvijo: uporabite -brez svinca spajkanje in elastične kable za preverjanje odpornosti proti utrujenosti s preskusom vibracij (kot je 5–2000 Hz/10 g).
5, Študija primera: Napaka diode v pretvorniku vetrne energije na morju
Določen projekt vetrne elektrarne na morju se nahaja na območju, ki je izpostavljeno tajfunom, prvotna zasnova pa je uporabljala navadne diode na osnovi silicija-. Po 2 letih delovanja je bilo več diodnih vodnikov polomljenih (odprt tokokrog) zaradi tresljajev, 3 diode pa so bile v kratkem stiku zaradi korozije s slano prho. Motnje, ki povzročajo:

Prekinitev prenosa energije: 12 razsmernikov se je ustavilo, kar je povzročilo dnevno izgubo več kot 50 MWh električne energije na razsmernik;
Poškodba verige opreme: eksplozija modula IGBT zaradi kratkega stika, stroški popravila presegajo 2 milijona juanov;
Poslabšanje stabilnosti sistema: Odprto vezje povzroči prekinitveni vhodni tok, hrup transformatorja pa doseže 85 dB (zasnova<65dB).
Načrt izboljšave vključuje:

Nadgradnja naprave: zamenjava s SiC diodami in keramično embalažo;
Strukturna ojačitev: uporaba nosilcev za zmanjšanje vibracij in treh odpornih premazov;
Nadgradnja nadzora: Namestite infrardeče senzorje temperature in vibracij.
Po izboljšavi je sistem neprekinjeno deloval 3 leta brez kakršnih koli okvar diod, z 12-odstotnim povečanjem letne proizvodnje električne energije in 70-odstotnim zmanjšanjem stroškov vzdrževanja.