Jaký je dopad poruchy diody na měnič?

一, Typy a fyzikální mechanismy průrazu diod
Průraz diod lze rozdělit na dva typy: elektrický průraz a tepelný průraz a jejich fyzikální mechanismy úzce souvisí s materiálovými vlastnostmi, koncentrací dopingu, teplotou a dalšími faktory.

1. Elektrický průraz: vratný fyzikální proces
Elektrická porucha zahrnuje dva mechanismy: Zenerovu poruchu a lavinový rozpad

Zenerův průraz: vyskytuje se ve vysoce dotovaných PN přechodech (jako jsou regulátory napětí), kde je šířka ochuzovací vrstvy extrémně úzká (<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). Reverzní napětí urychluje menšinové nosiče, způsobuje jejich srážku s mřížkou a generování nových nosičů, čímž vzniká lavinová řetězová reakce. Lavinové průrazné napětí je obecně vyšší než 6V a má kladný teplotní koeficient (průrazné napětí roste s teplotou).
Elektrický průraz je v podstatě vratný fyzikální proces.

2. Tepelný průraz: nevratné katastrofické selhání
Když se zpětný proud po elektrickém průrazu dále zvyšuje, nebo když jsou v obvodu prováděna měření s nekonečným proudem, překročí spotřeba PN přechodu mezní hodnotu, což má za následek prudký nárůst teploty přechodu. V tomto okamžiku valenční elektrony v kovalentní vazbě získávají dostatečnou energii, aby se vymanily z atomových omezení, čímž se vytvoří velké množství párů volných elektronových děr, což dále umocňuje současný růst a tvoří kladnou zpětnovazební smyčku. Nakonec se přechod PN v důsledku přehřátí roztaví a vytvoří trvalý zkrat, známý jako tepelný průraz. Tepelný průraz je nevratný a dioda zcela ztratí svou funkci.

2, Přímé poškození průrazem diody na měniče
Diody v invertorech se používají hlavně pro usměrnění, volnoběh a upínání a jejich porucha může způsobit šíření poruch v různých cestách.

1. Porucha usměrňovací diody: zkrat napájení a exploze kondenzátoru
U fotovoltaických střídačů nebo průmyslových zdrojů energie se usměrňovací můstek skládá ze 6 diod (3 společné katody a 3 společné anody). Pokud se jedna dioda tepelně rozbije a vytvoří zkrat, způsobí to přímé vedení kladných a záporných pólů stejnosměrné sběrnice, což vede ke zkratu napájení. V tomto okamžiku se filtrační kondenzátor rychle zahřeje v důsledku nadproudu, což způsobí odpařování a expanzi elektrolytu, což může vést k explozi. Například v určité fotovoltaické elektrárně způsobila porucha usměrňovací diody explozi kondenzátoru na straně stejnosměrného proudu, což vedlo k sešrotování celého invertorového modulu a přímé ekonomické ztrátě přesahující 100 000 juanů.
2. Porucha svorkové diody: Napětí sběrnice je mimo kontrolu
U více{0}}úrovňových měničů se k omezení kolísání napětí stejnosměrné sběrnice používají klešťové diody. Pokud se upínací dioda porouchá, napětí sběrnice může překročit rozsah výdržného napětí IGBT, což způsobí přerušení řetězu. Například u vysokonapěťového frekvenčního měniče došlo k poruše klešťové diody, což způsobilo nárůst napětí stejnosměrné sběrnice z 600 V na 900 V, což mělo za následek poškození všech 12 modulů IGBT a dobu vypnutí systému až 72 hodin.

3, Vlivy průrazu diody na úrovni systému
1. Elektromagnetické rušení (EMI) a zkreslení signálu
Když se dioda porouchá, rychlá změna zkratového-proudu bude generovat vysokofrekvenční-elektromagnetické rušení, které je spojeno s řídicím obvodem prostřednictvím parazitní kapacity a způsobí zkreslení signálu IGBT měniče. V případě měniče větrné energie mělo rušení EMI způsobené poruchou volnoběžné diody za následek 10 μs ztrátu impulsu hnacího signálu IGBT, což způsobilo kolísání točivého momentu motoru nad 20 % a spuštění mechanického vibračního alarmu.
2. Nesprávná funkce ochranného obvodu a paralýza systému
Moderní střídače jsou obvykle vybaveny funkcemi ochrany proti nadproudu, přepětí a přehřátí. Porucha diody však může vést k nesprávnému posouzení ochranného obvodu:
Nesprávná funkce nadproudové ochrany: Zkratový proud může být zaměněn za náhlou změnu zátěže, která spustí ochranu omezující proud a způsobí snížení výkonu systému;
Selhání přepěťové ochrany: Pokud dojde k poruše klešťové diody, dojde k selhání monitorovacího bodu napětí sběrnice a nelze aktivovat přepěťovou ochranu;
Zpoždění ochrany proti přehřátí: Teplota v bodě průrazu diody může být vyšší než teplota v bodě monitorování senzoru, což způsobuje zpoždění při spuštění ochrany proti přehřátí.
V případě trakčního střídače v určité železniční přepravě způsobila porucha usměrňovací diody špatnou funkci nadproudové ochrany, což mělo za následek časté snížení výkonu systému. Nakonec kvůli akumulaci tepla modul IGBT explodoval a vlak byl na 12 hodin zastaven.
4, Strategie ochrany a návrh spolehlivosti
1. Návrh obvodu: redundance a omezení proudu
Redundantní provedení: V usměrňovacím můstku je použita redundantní konfigurace „N+1“, což znamená, že další diody jsou zapojeny paralelně. Když se porouchá jedna dioda, systém může stále pracovat se sníženou kapacitou;
Rezistor omezující proud: Zapojte malé odporové odpory (např. 0,1 Ω/5W) do série přes diodu, abyste omezili špičkový zkratový-proud;
Vyrovnávací obvod RC: Přidejte vyrovnávací obvod RC (například C=0.1 μF, R=10 Ω) k paralelnímu obvodu diody IGBT, abyste absorbovali přepětí při vypnutí a snížili zpětné napětí diody.
2. Monitorování systému: diagnostika-v reálném čase a prediktivní údržba
Detekce infračerveného tepelného zobrazování: Monitorování teploty pláště diody v reálném čase pomocí infračervené termokamery, která spustí alarm, když teplota překročí jmenovitou hodnotu 15 stupňů;
Monitorování elektrických parametrů: Monitorování proudu diod v reálném čase prostřednictvím proudových senzorů (jako jsou Hallovy senzory) a ochrana se aktivuje, když proud překročí 1,2násobek jmenovité hodnoty;
Predikce chyb umělé inteligence: Trénujte modely strojového učení založené na historických datech, abyste předpovídali zbývající životnost (RUL) diod a vyměňte vysoce rizikové komponenty předem.