Kako diode izoluju lokalna kola tokom kvarova na električnoj mreži?

一, Fizički mehanizam izolacije kvara dioda
Struktura PN spoja diode daje joj prirodnu sposobnost blokiranja struje. Kada dođe do kvara kratkog spoja u električnoj mreži, napon na mjestu kvara naglo opada, formirajući električno polje obrnutog prednapona. U ovom trenutku, dioda ulazi u granično stanje, a obrnuti otpor može doseći nivo megaoma. Uzimajući fotonaponski sistem povezan na mrežu kao primjer, kada dođe do kratkog spoja od pola do pola na istosmjernoj strani, Schottky dioda (kao što je SB560, s padom napona naprijed od 0,5 V) spojena paralelno na oba kraja fotonaponskog modula može izdržati reverzni napon od preko 1000 V koji je potpuni blok struje od s µ, a potpuni blok struje je magnitude reda 1. brži od tradicionalnih relejnih shema.

U komunikacijskim sistemima, karakteristike izolacije dioda su usko povezane s vrstom kvara. Kada se dogodi jednofazni kvar uzemljenja, fazni napon bez greške raste do nivoa napona mreže. U ovom trenutku, dioda za brzi oporavak (kao što je FR307, vrijeme obrnutog oporavka 100ns) povezana antiparalelno na oba kraja uređaja za prebacivanje može efikasno spriječiti prekomjerno punjenje kondenzatora. Prema podacima Tennetovog ± 500kV DC projekta prijenosa u Njemačkoj, nakon usvajanja ove šeme, raspon fluktuacije napona podmodulnog kondenzatora se smanjio sa ± 15% na ± 3%, a efikasnost sistema je poboljšana za 1,2 procentna poena.

2, Primjena izolacije tipičnih scenarija kvarova
1. Zoniranje kvarova u distributivnom sistemu jednosmjerne struje
U distributivnom sistemu jednosmjerne struje baziranog na diodi, kada se u liniji dogodi stalni dvopolni kratki spoj, početna struja neispravne linije brzo raste na 8,3kA, dok terminalna struja opada na 0 unutar 1ms zbog obrnute karakteristike prekidanja diode. Istraživanje koje je proveo tim Li Bina na Univerzitetu Tianjin pokazuje da ova šema može ograničiti opseg udara kvarova između dvije konvertorske stanice, smanjujući ga za 60% u odnosu na tradicionalne šeme i skraćujući vrijeme pada napona sa 200ms na 20ms, značajno poboljšavajući pouzdanost napajanja.

U specifičnoj implementaciji, svaki segment DC sabirnice je opremljen antiparalelnim diodnim modulom. Kada struja kvara pređe prag, uređaj za brzo preklapanje prekida put kvara u roku od 100 μs, a dioda automatski formira izolacionu barijeru. Nakon usvajanja ove tehnologije, Huawei SUN2000-125KTL fotonaponski inverter je povećao svoju proizvodnju energije za 9,3% u scenarijima s djelimičnom opstrukcijom, sa evropskom efikasnošću od 98,8%.

2. Modularna višeslojna zaštita pretvarača
U MMC podmodulu, diode i IGBT-ovi formiraju dvosmjernu blokirajuću strukturu. Kada neravnoteža napona kondenzatora podmodula pređe 10%, serijski povezana silicijum karbidna dioda (kao što je C3D06060A) doživljava pad napona naprijed od 1,3V@10A) Može spriječiti prekomjerno punjenje kondenzatora. Nakon usvajanja ove šeme, Siemens SICAM AIS mrežni stabilizator je smanjio gubitke pri prebacivanju podmodula za 40% i skratio vreme odziva sistema sa 10ms na 3ms.

U inženjerskoj praksi, potrebno je uzeti u obzir karakteristike povratnog oporavka dioda. Upotreba dioda za brzi oporavak (kao što je FR307) može smanjiti gubitke IGBT prebacivanja za 35% u poređenju sa običnim ispravljačima. Inteligentne izolacione diode serije ABB Power Grid nadziru temperaturu spoja, struju i druge parametre u realnom vremenu putem ugrađenih-senzora, upozoravajući na potencijalne greške 0,5 ms unaprijed i povećavajući prosječno vrijeme između kvarova sistema na 200000 sati.

3. Redundantni dizajn distribuiranih izvora napajanja
U string fotonaponskim inverterima, više MPPT kanala postižu redundantnost snage preko dioda ili gejt kola. Kada se izlazna snaga određenog kanala smanji zbog opstrukcije sjene, Schottky dioda (kao što je MBR2045CT, s padom napona naprijed od 0,32 V) automatski prelazi na zdrav kanal. Testovi su pokazali da ova šema može povećati proizvodnju energije fotonaponskih nizova za 8% -12%, posebno u djelomično opstruiranim scenarijima gdje su prednosti značajne.

Tesla Megapack sistem za skladištenje energije usvaja integrisanu šemu izolacije, a idealan diodni kontroler baziran na MOSFET-u (kao što je LM5050) postiže nulto vreme oporavka. Ova šema smanjuje gubitak izolacije između klastera baterija sa 2,5W na 0,3W, poboljšava efikasnost ciklusa sistema za 0,2 procentna poena i smanjuje pad napona provodljivosti od 0,05V za 90% u poređenju sa tradicionalnim diodama.

3, Inženjerska optimizacija i strategije poboljšanja performansi
1. Izbor komponenti sa malim gubicima
Gubitak provodljivosti tradicionalnih silicijumskih dioda postao je usko grlo u visoko{0}}primjenama. Upotreba Schottky dioda od silicijum karbida može smanjiti gubitke provodljivosti za 60%. U fotonaponskom pretvaraču od 100 kW, ova šema smanjuje gubitke dioda sa 120 W na 48 W i poboljšava efikasnost sistema za 0,05 procentnih poena. EPC2054 GaN dioda koju je lansirala kompanija EPC ima pad napona od samo 0,2V pri struji od 10A, što je 85% niže od SiC uređaja.

2. Optimizacija upravljanja toplinom
U aplikacijama velike{0}}e snage, kontrola temperature diodnog spoja je ključna. Kompozitna shema odvođenja toplote koja koristi toplotno provodljivu silikonsku mast (termička otpornost 0,5 stepeni/W) i aluminijumsku podlogu (termička otpornost 1 stepen/W) može smanjiti temperaturu spoja sa 125 stepeni na 85 stepeni pod strujom od 100A, produžavajući životni vek uređaja za više od tri puta. Huawei invertori koriste tehnologiju hlađenja tekućinom za kontrolu temperature diodnog spoja unutar 105 stepeni i povećanje gustine snage na 1,2kW/kg.

3. Dizajn elektromagnetne kompatibilnosti
Di/dt šum generiran diodnim prekidačima mora biti potisnut RC bafer krugom. U inverteru od 10 kW, bafersko kolo koje koristi filmske kondenzatore od 0,1 μF i otpornike od 10 Ω može smanjiti prekoračenje napona sa 50V na 5V, ispunjavajući standard IEC 61000-4-5 za elektromagnetnu kompatibilnost. Inteligentna izolaciona dioda serije Siemens SIRIUS potiskuje šum prekidača ispod 20dB kroz ugrađenu RC mrežu.

4, Frontier tehnološki trendovi
1. Širokopojasni poluvodičke aplikacije
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz), postepeno zamjenjuju silikonske uređaje u vrhunski-oblastima kao što su napajanje baznih stanica 5G i napajanje za vazduhoplovstvo. EPC2054 GaN dioda koju je lansirala kompanija EPC ima pad napona od samo 0,2V pri struji od 10A, što je 85% niže od SiC uređaja.

2. Integracija tehnologije inteligentne izolacije
Inteligentni diodni modul u kombinaciji sa digitalnom tehnologijom upravljanja može postići dinamičku kompenzaciju pada napona i predviđanje kvarova. Inteligentne izolacione diode serije Power Grid koje je lansirala kompanija ABB prate temperaturu spoja, struju i druge parametre u realnom vremenu putem ugrađenih-senzora i upozoravaju na potencijalne greške 0,5 ms unaprijed, povećavajući prosječno vrijeme bez greške u sistemu na 200 000 sati.

5, Slučajevi primjene u industriji
1. Tennet DC projekt prijenosa u Njemačkoj
U projektu ± 500kV DC prijenosa, MMC podmodul koji koristi module silicijum karbidnih dioda smanjuje opseg fluktuacije napona kondenzatora podmodula sa ± 15% na ± 3%, i poboljšava efikasnost sistema za 1,2 procentna poena. Godišnji prenosni kapacitet ovog projekta dostiže 12 milijardi kilovat sati, što je ekvivalentno smanjenju potrošnje standardnog uglja za 3,6 miliona tona.

2. Tesla Megapack sistem za skladištenje energije
Šema izolacije klastera baterija zasnovana na GaN diodama poboljšava efikasnost ciklusa sistema za 0,2 procentna poena, dok smanjuje pad napona provodljivosti za 90% u poređenju sa tradicionalnim diodama na 0,05V. Sistem je globalno raspoređen za preko 10 GWh, podržavajući potrošnju obnovljive energije.