Hogyan választják el a diódák a helyi áramköröket az elektromos hálózat meghibásodása esetén?

一, A diódahiba leválasztás fizikai mechanizmusa
A dióda PN átmenet szerkezete természetes áramblokkoló képességgel ruházza fel. Amikor rövidzárlati hiba lép fel az elektromos hálózatban, a hibapont feszültsége meredeken csökken, és fordított előfeszítésű elektromos mezőt képez. Ekkor a dióda lekapcsolási állapotba kerül, és a fordított ellenállás elérheti a megaohm szintet. Példaként a fotovoltaikus hálózatra kapcsolt rendszert tekintve, amikor az egyenáramú oldalon pólus-pólus rövidzárlat lép fel, a fotovoltaikus modul mindkét végével párhuzamosan csatlakoztatott Schottky-dióda (például SB560, 0,5 V-os előremenő feszültségeséssel) képes ellenállni a 1000 V feletti fordított feszültségnek, és három μs-nál gyorsabb áramblokkolás, amely 1 nagyságrendű. mint a hagyományos relé sémák.

A kommunikációs rendszerekben a diódák leválasztási jellemzői szorosan összefüggenek a hiba típusával. Ha egy-fázisú földelési hiba lép fel, a nem hibafázis feszültsége a hálózati feszültség szintjére emelkedik. Jelenleg a gyors-visszaállító dióda (például FR307, fordított helyreállítási idő 100 n), amely párhuzamosan van csatlakoztatva a kapcsolóeszköz mindkét végéhez, hatékonyan megakadályozza a kondenzátor túltöltését. A Tennet ± 500kV-os németországi egyenáramú átviteli projektjének adatai szerint a séma elfogadását követően az almodul kondenzátorfeszültség ingadozási tartománya ± 15%-ról ± 3%-ra csökkent, a rendszer hatékonysága pedig 1,2 százalékponttal javult.

2, Tipikus hibaforgatókönyvek elkülönítése
1. Az egyenáramú elosztórendszer hibazónái
A dióda alapú egyenáramú elosztó rendszerben, ha tartós kétpólusú rövidzárlat lép fel a vezetékben, a hibás vezeték kezdeti árama gyorsan 8,3 kA-ra emelkedik, míg a kapocsáram 1 ms-on belül 0-ra csökken a dióda fordított lekapcsolási karakterisztikája miatt. A Li Bin csapata által a Tianjin Egyetemen végzett kutatás azt mutatja, hogy ez a séma korlátozhatja a két átalakító állomás közötti hibák hatástartományát, 60%-kal csökkentve azt a hagyományos sémákhoz képest, és lerövidíti a feszültségesési időt 200 ms-ról 20 ms-ra, jelentősen javítva az áramellátás megbízhatóságát.

A konkrét megvalósításban minden DC buszszegmens anti-párhuzamos dióda modullal van felszerelve. Ha a hibaáram túllépi a küszöbértéket, a gyorskapcsoló berendezés 100 μs-on belül levágja a hibautat, és a dióda automatikusan szigetelő gátat képez. A technológia bevezetése után a Huawei SUN2000-125KTL fotovoltaikus inverter 9,3%-kal növelte energiatermelését részben akadályozott forgatókönyvek esetén, európai hatékonysága pedig 98,8%.

2. Moduláris többszintű átalakító védelem
Az MMC almodulban a diódák és az IGBT-k kétirányú blokkoló struktúrát alkotnak. Ha az almodul kondenzátorának feszültség-kiegyensúlyozatlansága meghaladja a 10%-ot, a sorba kapcsolt szilícium-karbid dióda (például C3D06060A) 1,3 V@10A előremenő feszültségesést tapasztal. Megakadályozza a kondenzátor túltöltését. A séma elfogadása után a Siemens SICAM AIS rácsstabilizátor 40%-kal csökkentette az almodul kapcsolási veszteségeit, és 10 ms-ról 3 ms-ra csökkentette a rendszer válaszidejét.

A mérnöki gyakorlatban figyelembe kell venni a diódák fordított helyreállítási jellemzőit. A gyors helyreállítású diódák (például az FR307) használata 35%-kal csökkentheti az IGBT kapcsolási veszteségeit a hagyományos egyenirányítókhoz képest. Az ABB Power Grid sorozatú intelligens leválasztó diódái valós időben figyelik a csomópont hőmérsékletét, az áramerősséget és más paramétereket a beépített -érzékelőkkel, 0,5 ms-mal előre figyelmeztetik az esetleges hibákat, és 200 000 órára növelik a rendszer meghibásodásai közötti átlagos időt.

3. Elosztott áramforrások redundáns tervezése
A sztring fotovoltaikus inverterekben több MPPT csatorna éri el a teljesítmény redundanciát diódákon vagy kapuáramkörökön keresztül. Amikor egy bizonyos csatorna kimeneti teljesítménye az árnyékos akadály miatt csökken, a Schottky-dióda (például MBR2045CT, 0,32 V előremenő feszültségeséssel) automatikusan átkapcsol az egészséges csatornára. A tesztek kimutatták, hogy ez a séma 8–12%-kal növelheti a fotovoltaikus tömbök energiatermelését, különösen részlegesen akadályozott forgatókönyvekben, ahol az előnyök jelentősek.

A Tesla Megapack energiatároló rendszer integrált leválasztási sémát alkalmaz, és egy ideális MOSFET-alapú diódavezérlő (például LM5050) nulla fordított helyreállítási időt ér el. Ez a séma 2,5 W-ról 0,3 W-ra csökkenti az akkumulátorcsoportok közötti elválasztási veszteséget, 0,2 százalékponttal javítja a rendszerciklus hatékonyságát, és 90%-kal csökkenti a 0,05 V-os vezetési feszültségesést a hagyományos diódákhoz képest.

3. Mérnöki optimalizálási és teljesítményjavító stratégiák
1. Alacsony veszteségű komponensek kiválasztása
A hagyományos szilíciumdiódák vezetési vesztesége szűk keresztmetszetté vált a nagy{0}}frekvenciás alkalmazásokban. A szilícium-karbid Schottky-diódák használatával 60%-kal csökkenthető a vezetési veszteség. Egy 100 kW-os fotovoltaikus inverterben ez a séma 120 W-ról 48 W-ra csökkenti a diódaveszteséget, és 0,05 százalékponttal javítja a rendszer hatékonyságát. Az EPC cég által piacra dobott EPC2054 GaN dióda előremenő feszültségesése mindössze 0,2 V 10 A áram mellett, ami 85%-kal alacsonyabb, mint a SiC eszközöké.

2. Hőgazdálkodás optimalizálása
A nagy teljesítményű{0}}alkalmazásokban a diódacsatlakozó hőmérséklet-szabályozása kulcsfontosságú. A hővezető szilikon zsírt (hőellenállás 0,5 fok /W) és alumínium hordozót (hőellenállás 1 fok /W) használó kompozit hőelvezetési séma 100 A áram mellett 125 fokról 85 fokra csökkentheti a csatlakozási hőmérsékletet, több mint háromszorosára meghosszabbítva az eszköz élettartamát. A Huawei inverterek folyadékhűtési technológiát alkalmaznak a dióda csatlakozási hőmérsékletének 105 fokon belüli szabályozására, és a teljesítménysűrűség 1,2 kW/kg-ra növelésére.

3. Elektromágneses kompatibilitási tervezés
A diódakapcsolók által keltett di/dt zajt egy RC pufferáramkörrel kell elnyomni. Egy 10 kW-os inverterben a 0,1 μF filmkondenzátorokat és 10 Ω-os ellenállásokat használó pufferáramkör 50 V-ról 5 V-ra csökkentheti a feszültségtúllépést, megfelelve az IEC 61000-4-5 elektromágneses kompatibilitási szabványnak. A Siemens SIRIUS sorozatú intelligens leválasztó dióda a beépített RC hálózaton keresztül elnyomja a 20 dB alatti kapcsolózajt.

4, Frontier technológiai trendek
1. Széles sávszélességű félvezető alkalmazások
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1 GHz), fokozatosan felváltják a szilícium-eszközöket a csúcskategóriás-mezőkben, például az 5G bázisállomások tápegységei és az űrrepülési tápegységek. Az EPC cég által piacra dobott EPC2054 GaN dióda előremenő feszültségesése mindössze 0,2 V 10 A áram mellett, ami 85%-kal alacsonyabb, mint a SiC eszközöké.

2. Intelligens szigetelési technológia integrálása
Az intelligens dióda modul a digitális vezérlési technológiával kombinálva dinamikus feszültségesés kompenzációt és hiba előrejelzést tesz lehetővé. Az ABB cég által piacra dobott Power Grid sorozatú intelligens leválasztó diódák valós időben figyelik a csomóponti hőmérsékletet, áramerősséget és egyéb paramétereket a beépített -érzékelőkkel, és 0,5 ms-mal előre figyelmeztetik a lehetséges hibákat, így a rendszer átlagos hibamentes idejét 200 000 órára növeli.

5, Ipari alkalmazási esetek
1. Tennet DC átviteli projekt Németországban
A ± 500 kV DC átviteli projektben a szilícium-karbid dióda modulokat használó MMC almodul ± 15%-ról ± 3%-ra csökkenti az almodul kondenzátorának feszültségingadozási tartományát, és 1,2 százalékponttal javítja a rendszer hatékonyságát. A projekt éves átviteli kapacitása eléri a 12 milliárd kilowattórát, ami a szabványos szénfogyasztás 3,6 millió tonnával való csökkentésének felel meg.

2. Tesla Megapack energiatároló rendszer
A GaN diódákon alapuló akkumulátor klaszter leválasztási séma 0,2 százalékponttal javítja a rendszerciklus hatékonyságát, miközben 90%-kal csökkenti a vezetési feszültségesést a hagyományos 0,05 V-os diódákhoz képest. A rendszert világszerte több mint 10 GWh-ra telepítették, támogatva a megújuló energia felhasználását.