Kakšen je vpliv okvare diode na pretvornik?

一, Vrste in fizični mehanizmi razpada diode
Razpad diode lahko razdelimo na dve vrsti: električni razpad in toplotni razpad, njihovi fizikalni mehanizmi pa so tesno povezani z lastnostmi materiala, koncentracijo dopinga, temperaturo in drugimi dejavniki.

1. Električni razpad: reverzibilen fizikalni proces
Električni razpad vključuje dva mehanizma: Zenerjev razpad in plazovni razpad

Zenerjeva razgradnja: pojavi se v močno dopiranih PN spojih (kot so regulatorji napetosti), kjer je širina osiromašene plasti izjemno ozka (<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). Povratna napetost pospeši manjšinske nosilce, zaradi česar trčijo v mrežo in ustvarijo nove nosilce, kar povzroči plazovito verižno reakcijo. Probojna lavinska napetost je praviloma višja od 6V in ima pozitiven temperaturni koeficient (probojna napetost narašča s temperaturo).
Električni razpad je v bistvu reverzibilen fizikalni proces.

2. Toplotna okvara: nepopravljiva katastrofalna okvara
Ko povratni tok po električni prekinitvi še naprej narašča ali ko se v tokokrogu izvajajo neskončni tokovni ukrepi, poraba energije PN spoja preseže mejno vrednost, kar povzroči močan dvig temperature spoja. Na tej točki valenčni elektroni v kovalentni vezi pridobijo dovolj energije, da se osvobodijo atomskih omejitev, pri čemer tvorijo veliko število prostih parov elektronskih lukenj, kar dodatno poslabša trenutno rast in tvori pozitivno povratno zanko. Sčasoma se PN spoj stopi zaradi pregrevanja, kar povzroči trajen kratek stik, znan kot toplotna razgradnja. Toplotni razpad je nepopravljiv in dioda popolnoma izgubi svojo funkcijo.

2, Neposredna škoda pretvornikov zaradi okvare diode
Diode v pretvornikih se večinoma uporabljajo za usmerjanje, prosti tek in vpenjanje, njihova okvara pa lahko povzroči širjenje napake po različnih poteh.

1. Okvara usmerniške diode: napajalni kratek stik in eksplozija kondenzatorja
V fotovoltaičnih pretvornikih ali industrijskih virih energije je usmerniški most sestavljen iz 6 diod (3 skupne katode in 3 skupne anode). Če se posamezna dioda termično razgradi, da nastane kratek stik, bo to povzročilo neposredno prevajanje pozitivnega in negativnega pola vodila DC, kar bo povzročilo kratek stik. Na tej točki se filtrirni kondenzator hitro segreje zaradi prevelikega toka, kar povzroči, da elektrolit izhlapi in se razširi, kar lahko povzroči eksplozijo. Na primer, v določeni fotovoltaični elektrarni je okvara usmerniške diode povzročila eksplozijo enosmernega stranskega kondenzatorja, kar je povzročilo razgradnjo celotnega inverterskega modula in neposredno gospodarsko izgubo v višini več kot 100.000 juanov.
2. Okvara kleščeče diode: Napetost vodila brez nadzora
V več{0}}nivojskih pretvornikih se za omejevanje nihanj napetosti vodila enosmernega toka uporabljajo objemne diode. Če se vpenjalna dioda pokvari, lahko napetost vodila preseže območje vzdržljive napetosti IGBT, kar povzroči prekinitev verige. Na primer, pri srednjenapetostnem frekvenčnem pretvorniku je prišlo do okvare objemne diode, zaradi česar je napetost enosmernega vodila narasla s 600 V na 900 V, kar je povzročilo poškodbo vseh 12 modulov IGBT in čas zaustavitve sistema do 72 ur.

3, Učinki okvare diode na sistemski ravni
1. Elektromagnetne motnje (EMI) in popačenje signala
Ko se dioda pokvari, bo hitra sprememba toka kratkega-vezja ustvarila visoko{1}}frekvenčno elektromagnetno motnjo, ki je povezana s krmilnim vezjem prek parazitske kapacitivnosti in povzroči popačenje pogonskega signala IGBT. V ohišju pretvornika vetrne energije je motnja EMI, ki jo je povzročila okvara prostega teka diode, povzročila 10 μs izgubo impulza pogonskega signala IGBT, kar je povzročilo nihanje navora motorja nad 20 % in sprožilo mehanski alarm za vibracije.
2. Nepravilno delovanje zaščitnega vezja in paraliza sistema
Sodobni razsmerniki so običajno opremljeni s funkcijami zaščite pred prenapetostjo, prenapetostjo in previsoko temperaturo. Vendar lahko okvara diode povzroči napačno presojo zaščitnega vezja:
Napačno delovanje pretokovne zaščite: Tok kratkega stika se lahko zamenja za nenadno spremembo obremenitve, ki sproži zaščito za omejevanje toka in povzroči zmanjšanje moči sistema;
Napaka prenapetostne zaščite: Če se objemna dioda pokvari, točka nadzora napetosti vodila odpove in prenapetostne zaščite ni mogoče aktivirati;
Zakasnitev zaščite pred previsoko temperaturo: Temperatura na točki preboja diode je lahko višja od temperature na točki nadzora senzorja, kar povzroči zakasnitev pri sprožitvi zaščite pred previsoko temperaturo.
V primeru vlečnega pretvornika v določenem železniškem tranzitu je okvara usmerniške diode povzročila napačno delovanje pretokovne zaščite, kar je povzročilo pogosto zmanjšanje moči delovanja sistema. Na koncu je zaradi akumulacije toplote eksplodiral IGBT modul in vlak je bil ustavljen za 12 ur.
4, Strategija zaščite in načrtovanje zanesljivosti
1. Zasnova vezja: redundanca in omejevanje toka
Redundantna zasnova: V usmerniškem mostu je sprejeta redundantna konfiguracija "N+1", kar pomeni, da so dodatne diode povezane vzporedno. Ko se ena sama dioda pokvari, lahko sistem še vedno deluje z zmanjšano zmogljivostjo;
Upor za omejevanje toka: Povežite upore z majhnim uporom (kot je 0,1 Ω/5 W) zaporedno čez diodo, da omejite najvišji tok kratkega -vezja;
RC vmesno vezje: Dodajte RC vmesno vezje (kot je C=0.1 μ F, R=10 Ω) vzporednemu vezju diode IGBT, da absorbira prenapetost pri izklopu in zmanjša povratno obremenitev diode.
2. Spremljanje sistema: diagnoza-v realnem času in predvideno vzdrževanje
Zaznavanje z infrardečo toplotno sliko: spremljanje temperature ohišja diode v realnem času prek infrardeče toplotne slike, ki sproži alarm, ko temperatura preseže nazivno vrednost 15 stopinj;
Spremljanje električnih parametrov: spremljanje diodnega toka v realnem času prek tokovnih senzorjev (kot so Hallovi senzorji) in zaščita se aktivira, ko tok preseže 1,2-kratno nazivno vrednost;
Predvidevanje napak z umetno inteligenco: usposobite modele strojnega učenja na podlagi preteklih podatkov za napovedovanje preostale življenjske dobe (RUL) diod in vnaprej-zamenjavo komponent z visokim tveganjem.