Kakav je utjecaj kvara diode na inverter?

一, Vrste i fizički mehanizmi propadanja dioda
Propad dioda se može podijeliti u dvije vrste: električni i termički slom, a njihovi fizički mehanizmi usko su povezani sa svojstvima materijala, koncentracijom dopinga, temperaturom i drugim faktorima.

1. Električni slom: reverzibilni fizički proces
Električni kvar uključuje dva mehanizma: Zener kvar i lavinski slom

Zener slom: javlja se u visoko dopiranim PN spojevima (kao što su regulatori napona), gdje je širina sloja iscrpljenosti izuzetno uska (<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). Obrnuti napon ubrzava manjinske nosioce, uzrokujući da se sudare s rešetkom i stvaraju nove nosioce, formirajući lavinu lančanu reakciju. Lavinski probojni napon je općenito veći od 6V i ima pozitivan temperaturni koeficijent (napon proboja raste s temperaturom).
Električni kvar je u suštini reverzibilan fizički proces.

2. Termički kvar: nepovratni katastrofalni kvar
Kada reverzna struja nastavi da raste nakon električnog kvara, ili kada se poduzmu beskonačne mjere struje u kolu, potrošnja energije PN spoja prelazi graničnu vrijednost, što rezultira naglim porastom temperature spoja. U ovom trenutku, valentni elektroni u kovalentnoj vezi dobijaju dovoljno energije da se oslobode atomskih ograničenja, formirajući veliki broj parova slobodnih elektronskih rupa, dodatno pogoršavajući trenutni rast i formirajući pozitivnu povratnu spregu. Na kraju, PN spoj se topi zbog pregrijavanja, stvarajući trajni kratki spoj, poznat kao termički slom. Toplotni slom je nepovratan, a dioda će potpuno izgubiti svoju funkciju.

2, Direktna šteta od kvara diode na inverterima
Diode u inverterima se uglavnom koriste za ispravljanje, slobodni hod i stezanje, a njihov kvar može uzrokovati širenje kvara na različitim putevima.

1. Slom ispravljačke diode: kratki spoj struje i eksplozija kondenzatora
U fotonaponskim inverterima ili industrijskim izvorima energije, ispravljački most se sastoji od 6 dioda (3 zajedničke katode i 3 zajedničke anode). Ako se jedna dioda termički pokvari i stvori kratki spoj, to će uzrokovati direktnu provodljivost pozitivnih i negativnih polova DC sabirnice, što će dovesti do kratkog spoja struje. U ovom trenutku, filterski kondenzator se brzo zagrijava zbog prekomjerne struje, uzrokujući isparavanje i širenje elektrolita, što može dovesti do eksplozije. Na primjer, u određenoj fotonaponskoj elektrani, kvar ispravljačke diode doveo je do eksplozije DC bočnog kondenzatora, što je rezultiralo raspadanjem cijelog inverterskog modula i direktnim ekonomskim gubitkom od preko 100000 juana.
2. Kvar diode stezaljke: napon sabirnice izvan kontrole
U više-invertorima, diode sa stezaljkama se koriste za ograničavanje fluktuacija napona DC sabirnice. Ako se dioda za stezanje pokvari, napon sabirnice može premašiti raspon otpornog napona IGBT-a, uzrokujući prekid lanca. Na primjer, srednjenaponski frekventni pretvarač doživio je kvar diode stezanja, što je uzrokovalo porast napona DC magistrale sa 600V na 900V, što je rezultiralo oštećenjem svih 12 IGBT modula i vremenom isključivanja sistema do 72 sata.

3, Efekti kvara diode na nivou sistema
1. Elektromagnetne smetnje (EMI) i izobličenje signala
Kada se dioda pokvari, brza promjena struje kratkog-spoja će generirati visoko-elektromagnetne smetnje visoke frekvencije, koje su povezane sa kontrolnim krugom kroz parazitski kapacitet i uzrokuju izobličenje IGBT pogonskog signala. U kućištu pretvarača energije vjetra, smetnje EMI uzrokovane kvarom diode slobodnog hoda rezultirale su gubitkom impulsa od 10 μs IGBT pogonskog signala, uzrokujući fluktuaciju obrtnog momenta motora preko 20% i aktivirajući alarm mehaničke vibracije.
2. Pogrešan rad zaštitnog kola i paraliza sistema
Moderni pretvarači su obično opremljeni funkcijama zaštite od prekomjerne struje, prenapona i temperature. Međutim, kvar diode može dovesti do pogrešne procjene zaštitnog kruga:
Pogrešan rad zaštite od prekomjerne struje: Struja kratkog spoja može se zamijeniti za iznenadnu promjenu opterećenja, aktiviranje zaštite koja ograničava struju i uzrokujući smanjenje rada sistema;
Kvar zaštite od prenapona: Ako se dioda stezanja pokvari, tačka za praćenje napona sabirnice ne uspijeva i zaštita od prenapona se ne može aktivirati;
Kašnjenje zaštite od previsoke temperature: Temperatura na tački kvara diode može biti viša od temperature na tački nadzora senzora, što uzrokuje kašnjenje u aktiviranju zaštite od previsoke temperature.
U slučaju vučnog pretvarača u određenom tranzitnom tranzitu, kvar ispravljačke diode je uzrokovao neispravan rad zaštite od prekomjerne struje, što je rezultiralo čestim smanjenjem rada sistema. Na kraju, zbog akumulacije toplote, IGBT modul je eksplodirao i voz je zaustavljen 12 sati.
4, Strategija zaštite i dizajn pouzdanosti
1. Dizajn kola: redundantnost i ograničenje struje
Redundantni dizajn: U ispravljačkom mostu usvojena je redundantna konfiguracija "N+1", što znači da su dodatne diode spojene paralelno. Kada se jedna dioda pokvari, sistem i dalje može raditi sa smanjenim kapacitetom;
Otpornik za ograničavanje struje: Povežite otpornike male otpornosti (kao što je 0,1 Ω/5W) u seriju preko diode kako biste ograničili vršnu struju kratkog-spojnog kola;
RC bafersko kolo: Dodajte RC bafersko kolo (kao što je C=0.1 μ F, R=10 Ω) u paralelno kolo IGBT diode kako biste apsorbirali prenapon isključivanja i smanjili obrnuti napon diode.
2. Nadgledanje sistema: dijagnoza-u realnom vremenu i prediktivno održavanje
Infracrvena termalna detekcija: Praćenje temperature kućišta diode u realnom vremenu preko infracrvene termalne slike, aktiviranje alarma kada temperatura pređe nominalnu vrijednost od 15 stepeni;
Praćenje električnih parametara: Praćenje struje diode u realnom vremenu kroz strujne senzore (kao što su Hallovi senzori), a zaštita se aktivira kada struja premaši 1,2 puta nazivnu vrijednost;
Predviđanje grešaka AI: Uvježbajte modele mašinskog učenja na osnovu historijskih podataka da predvidite preostali vijek trajanja (RUL) dioda i unaprijed zamijenite visoko{0}}rizične komponente.