Jaké jsou důsledky zkratu diody nebo přerušení obvodu na energetický systém?

一, Řetězová reakce zkratové poruchy diody
1. Mechanismus zkratu a podmínky spouštění
Zkrat diody je obvykle způsoben rozpadem čipu, prasknutím obalu nebo špatným pájením. V prostředí s vysokou teplotou a vysokou vlhkostí může absorpce vlhkosti a expanze obalových materiálů způsobit prasknutí vnitřní metalizační vrstvy; Ve scénářích přepětí mohou PN přechody trvale vést v důsledku lavinové poruchy. Například u projektu fotovoltaického střídače došlo během 10 ms ke zkratu v důsledku zpětného přepětí diody způsobeného údery blesku.

2. Dopad na úrovni systému
(1) Změna dráhy přenosu energie
Selhání obvodu usměrňovače: Pokud je v obvodu můstkového usměrňovače zkratována dioda, způsobí to přímé vedení mezi střídavou a stejnosměrnou stranou, což vede k nasycení transformátoru nebo induktoru. V důsledku zkratu v usměrňovací diodě určitého projektu energetického akumulátoru se vstupní proud vyšplhal na trojnásobek jmenovité hodnoty a transformátor shořel během 5 sekund.
Zkrat ve volnoběžném obvodu: U motorového pohonu nebo indukčních obvodů pro uchovávání energie může zkrat-ve volnoběžné diodě poškodit dráhu zpětné vazby energie. Například v určitém projektu střídače pro elektrické vozidlo byla v důsledku zkratu ve volnoběžné diodě zpětná elektromotorická síla motoru přímo aplikována na výkonové zařízení, což způsobilo explozi IGBT modulu během 100 μs.
(2) Selhání ochranného mechanismu
Selhání ochrany proti zpětnému chodu: Ve stejnosměrných systémech může zkrat v diodě proti zpětnému chodu způsobit přímé poškození zařízení při přepólování napájení. Projekt UPS v určitém datovém centru utrpěl ztráty ve výši více než 500 000 juanů kvůli zkratu-reverzní diody, který způsobil vyhoření modulu usměrňovače během chybné údržby.
Bypass přepěťové ochrany: Zkrat diody TVS ztratí svou upínací funkci a přepětí se přímo přenese do následujícího obvodu. V důsledku zkratu diody TVS v určitém projektu fotovoltaického pole se výstupní napětí komponent vyšplhalo na 1000 V (jmenovitých 600 V), což způsobilo rozsáhlé-selhání měniče.
(3) Riziko tepelného úniku
Zkrat způsobí změnu proudové cesty, což má za následek výrazné zvýšení místní proudové hustoty. Test projektu měniče větrné energie ukázal, že po zkratu diody se teplota přechodu sousedních energetických zařízení během 2 sekund zvýšila z 85 stupňů na 200 stupňů, což způsobilo tepelný únik řetězu.

2, Systémová rizika poruch otevřeného obvodu diod
1. Mechanismus otevřeného okruhu a typické scénáře
Otevřený obvod je obvykle způsoben zhroucením svařování, zlomením třísky nebo zlomením olova. Ve vibračních prostředích (jako jsou elektrická vozidla) je únavový lom olova běžnou příčinou; Ve scénářích vysokých teplot může nesoulad mezi koeficientem tepelné roztažnosti obalu a čipu vést k praskání.

2. Dopad na úrovni systému
(1) Přerušení přenosu energie
Ztráta usměrňovacího výstupu: V třífázovém usměrňovacím obvodu, pokud je dioda rozpojená, způsobí zvýšení zvlnění výstupního napětí. Určitý projekt průmyslového napájecího zdroje způsobil zvýšení zvlnění výstupního napětí z 5 % na 30 % v důsledku přerušeného obvodu diody, což mělo za následek nesprávnou funkci zátěžového zařízení.
Odpojený obvod volnoběhu: V indukčním obvodu akumulace energie může otevřená dioda s volnoběhem způsobit, že se energie induktoru nikde neuvolní, což má za následek vysokonapěťové špičky. U určitého projektu LED driveru došlo k nárůstu napětí induktoru na 800 V (jmenovitě 400 V) v důsledku přerušeného obvodu v diodě s volnoběžkou, což mělo za následek poruchu MOSFET.
(2) Ztráta ochranné funkce
Selhání nadproudové ochrany: V paralelní skupině diod, pokud je jedna z diod otevřená, musí zbývající diody nést větší proud. Jistý projekt balančního obvodu akumulátoru energie způsobil přetížení a vyhoření ostatních diod v důsledku přerušeného obvodu jedné diody, což mělo za následek přebití akumulátoru.
Selhání izolační funkce: U ochrany na úrovni fotovoltaického modulu může přerušený obvod v diodě přemostění zhoršit efekt horkého bodu. Kvůli přerušenému obvodu bypass diody v určitém projektu fotovoltaické elektrárny vzrostla teplota určité součásti pod stíněním na 150 stupňů, což způsobilo rozbití skla.
(3) Stabilita systému klesá
Přerušený obvod může způsobit změny v topologii obvodu, což může vést k rezonanci nebo oscilaci. U určitého projektu nabíjecího modulu pro elektrické vozidlo došlo k přerušení obvodu diody, což způsobilo rozladění rezonančního obvodu LLC a kolísání výstupního napětí o více než ± 15 %, což vyvolalo ochranné vypnutí.

3, Důsledky poruch v typických energetických systémech
1. Fotovoltaický systém výroby elektřiny
Dopad na úrovni součásti: Přerušený obvod v obtokové diodě může způsobit, že teplota tepelného bodu součásti při částečném zablokování překročí limit, čímž se urychlí stárnutí obalového materiálu; Zkrat může způsobit poruchu bočního oblouku DC. Podle statistik z 5MW fotovoltaické elektrárny tvoří poruchy diod 18 % poruch součástí, což má za následek roční ztrátu více než 500 000 kWh výroby elektrické energie.
Dopad na úroveň invertoru: Zkrat usměrňovací diody může způsobit nekontrolované napětí stejnosměrné sběrnice, což vede k explozi modulu IGBT; Přerušený obvod vede k přerušovanému vstupnímu proudu, což způsobuje hluk a vibrace transformátoru.
2. Systém skladování energie
Dopad vyvažování baterie: Přerušený obvod v diodě vyvažovacího obvodu může vést ke zvýšené nekonzistenci baterie a zkrácení životnosti cyklu; Zkrat může způsobit přebití/nadměrné vybití. Kvůli poruše vyrovnávací diody určitého projektu energetické akumulační elektrárny se rychlost degradace kapacity bateriového bloku zvýšila z 3 %/rok na 8 %/rok.
Vliv DC/DC konverze: Otevřený obvod synchronní usměrňovací diody může vést ke snížení účinnosti o více než 10 %; Zkrat může způsobit překmitnutí výstupního napětí.
3. Systém nabíjení elektromobilů
Náraz nabíjecího modulu: Zkrat diody obvodu PFC může způsobit překročení standardního zkreslení vstupního proudu a spuštění ochrany sítě; Přerušený obvod způsobí pokles účiníku pod 0,7 a bude mít za následek pokutu ze sítě.
Dopad autonabíječky: Přerušený obvod výstupní usměrňovací diody způsobí přerušení nabíjení; Zkrat může způsobit přepětí v baterii. Při určitém incidentu svolávaného vozidla bylo svoláno více než 20 000 vozidel kvůli riziku zkratu výstupní diody.
4, Diagnostika poruch a strategie ochrany
1. Online monitorovací technologie
Monitorování napětí/proudu: Monitorování napětí a proudu na diodě v reálném čase pomocí Hallových senzorů, které spustí alarm, pokud dojde k abnormálnímu kolísání přesahujícímu 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 stupňů), automaticky se vypne.
Analýza impedančního spektra: Injektováním vysoko{0}}frekvenčních signálů k detekci ekvivalentního sériového odporu diod se impedance blíží nekonečnu v otevřeném obvodu a nule v případě zkratu.
2. Redundantní design
Paralelní redundance: V kritických obvodech je paralelně zapojeno více diod a systém může stále fungovat v případě jediné poruchy. Například určitý střídač větrné energie používá 4 paralelní SiC diody a účinnost systému se po jediném přerušení obvodu sníží pouze o 2 %.
Záložní cesta: Nainstalujte mechanický spínač paralelně s diodou v obvodu proti zpětnému chodu a automaticky přepněte na cestu spínače, když dioda selže.
3. Upgrady materiálu a procesů
Obal odolný proti vlhkosti: keramický nebo vzduchotěsný obal se používá k ověření spolehlivosti pomocí dvojitého testování 85° (85 stupňů /85% RH/1000h).
Nízko namáhané pájení: Použijte bezolovnatou-pájku a elastické vodiče k ověření odolnosti proti únavě pomocí vibračních testů (např. 5–2000 Hz/10 g).
5, Případová studie: Porucha diody v měniči větrné energie na moři
Jistý projekt větrné elektrárny na moři se nachází v oblasti náchylné k tajfunu a původní návrh používal obyčejné křemíkové -diody. Po 2 letech provozu došlo k přerušení více vodičů diod (rozpojený obvod) v důsledku vibrací a ke zkratu 3 diod v důsledku koroze solné mlhy. Porucha způsobující:

Přerušení přenosu energie: 12 střídačů se vypne, což má za následek denní ztrátu více než 50 MWh vyrobené energie na střídač;
Poškození řetězce zařízení: exploze modulu IGBT způsobená zkratem, náklady na opravu přesahují 2 miliony juanů;
Snížení stability systému: Přerušený obvod vede k přerušovanému vstupnímu proudu a šum transformátoru dosahuje 85 dB (design<65dB).
Plán zlepšení zahrnuje:

Upgrade zařízení: Nahraďte SiC diodami a keramickým obalem;
Konstrukční vyztužení: použití držáků pro snížení vibrací a tří ochranných povlaků;
Upgrade monitorování: Nasaďte infračervené snímače teploty a vibrací.
Po vylepšení systém běží nepřetržitě 3 roky bez jakýchkoli poruch diod, s ročním nárůstem výroby energie o 12 % a snížením nákladů na údržbu o 70 %.