Hoće li kvar diode dovesti do smanjenja efikasnosti sistema za skladištenje energije?

一, način kvara diode i mehanizam gubitka efikasnosti
1. Pogoršanje karakteristika povratnog oporavka
U scenarijima visoke-preklopne frekvencije, kao što je antiparalelna dioda slobodnog hoda IGBT modula u pretvaračima za pohranu energije PCS, vrijeme povratnog oporavka (Trr) i napunjenost (Qrr) diode su osnovni parametri koji određuju efikasnost. Kada je Trr predugačak ili QRr prevelik, dioda će formirati značajnu "repnu struju" tokom procesa isključivanja, što će dovesti do sljedećih problema:

Naglo povećanje gubitaka prekidača: Za svakih 10ns povećanja Trr, gubici prekidača mogu porasti za 5% -8%. Na primjer, u određenom slučaju fotonaponskog pretvarača, nakon što se Trr smanjio sa 35ns na 80ns, efikasnost sistema je smanjena za 3,7% i porast temperature MOSFET-a se povećao za 15 stepeni.
Naponski skokovi i EMI smetnje: Abnormalni Qrr može uzrokovati obrnute skokove u naponu sabirnice (kao što je naglo povećanje sa 1000V na 1200V), što predstavlja rizik od kvara izolacije i povećava cijenu filtriranja elektromagnetnih smetnji (EMI).
2. Termički bijeg i odstupanje parametara
Kada temperatura spoja (Tj) diode pređe nominalnu vrijednost (kao što je 150 stepeni), pokrenut će se sljedeći začarani krug:

Prenapon struje curenja: Pri visokim temperaturama, struja obrnutog curenja (IR) može porasti sa 10 μ A na 100 μ A, što rezultira desetostrukim povećanjem statičke potrošnje energije.
Degradacija parametara: Pad napona naprijed (VF) raste sa temperaturom (kao što je od 0,8V do 1,2V), direktno smanjujući efikasnost provodljivosti. Studija slučaja sistema za skladištenje energije baterije sa protokom vanadijuma pokazuje da kada temperatura elektrolita poraste sa 25 stepeni na 45 stepeni, dioda VF raste za 0,3V, a efikasnost punjenja i pražnjenja sistema opada za 2,1%.
3. Otkazivanje pakovanja i kvar kontakta
Defekti pakovanja (kao što je oksidacija igle TO-220, apsorpcija vlage plastične ambalaže) mogu uzrokovati:

Povećanje toplotnog otpora: Loš kontakt uzrokuje povećanje toplotnog otpora (R θ JA) sa 2 stepena /W na 5 stepeni /W, ubrzavajući toplotni beg.
Oštećenje od mehaničkog naprezanja: Rizik od loma klina se povećava u okruženju vibracija. U slučaju pretvarača energije vjetra, 10% diodnih pinova je imalo mikropukotine zbog transportnih vibracija, a stopa kvarova je porasla nakon 3 mjeseca rada.
2, Analiza gubitka efikasnosti u tipičnim scenarijima
1. Greška diode u pretvaraču za pohranu energije (PCS)
U dvosmjernim DC-DC pretvaračima, kvar na antiparalelnoj diodi slobodnog hoda može uzrokovati:

Intermitentna struja: Kada postoji greška u otvorenom krugu, struja induktora ne može nastaviti da teče, napon kondenzatora modula (Uac) nastavlja da se smanjuje, a izlazna snaga sistema pada za 30% -50%.
Direktno povezivanje kraka mosta: U slučaju kvara kratkog spoja, IGBT izgara zbog prevelike struje. U slučaju elektrane za skladištenje energije, kratki spoj jedne diode rezultirao je troškovima održavanja PCS-a koji premašuju 500.000 juana.
2. Kvar diode u sistemu upravljanja baterijama (BMS)
U krugu za uravnoteženje, diode se koriste za sprječavanje prekomjernog punjenja baterije, a njihove greške mogu uzrokovati:

Kvar u ravnoteži: Greška otvorenog kola je uzrokovala neravnotežu napona jedne baterije. U slučaju sistema za skladištenje energije litijumske baterije, zbog otvorenog kruga u diodi, određena baterija je bila prenapunjena na 4,5 V (procenjena na 4,2 V), što je dovelo do toplotnog bijega.
Obrnuto curenje: Greške kratkog spoja uzrokuju povećanje stope samopražnjenja baterije, što rezultira povećanjem gubitaka sistema u stanju pripravnosti za 20% -30%.
3. Greška diode u pomoćnom napajanju
U DC/DC pomoćnom napajanju, diode se koriste za napajanje upravljačkih krugova, a njihovi kvarovi mogu uzrokovati:

Nestabilnost kontrole: Kvar otvorenog kola može uzrokovati gubitak napajanja BMS ili PCS kontrolne ploče, povećavajući rizik od isključivanja sistema. U studiji slučaja elektrane za skladištenje energije, zbog otvorenog kola u pomoćnoj diodi napajanja, cijeli PCS sistem se istovremeno isključio, što je rezultiralo neuspjehom u regulaciji frekvencije mreže.
Skok efikasnosti: Kvar kratkog spoja je uzrokovao smanjenje efikasnosti pomoćnog napajanja sa 90% na 70%, što je rezultiralo dvostrukim-većanjem samopotrošnje sistema.
3, Strategija optimizacije efikasnosti i tehnička praksa
1. Dinamički nadzor i upravljanje zdravljem
Online praćenje parametara: Snimite VF, IR, Trr i druge parametre preko osciloskopa i postavite alarme praga (kao što je aktiviranje alarma kada VF poraste za 10%).
Infracrvena termografija: Redovno pratite temperaturu spoja dioda kako biste osigurali da je Tj manji ili jednak 125 stepeni (za silicijumske uređaje) ili Tj manji ili jednak 175 stepeni (za SiC uređaje).
Održavanje zasnovano na podacima: Uspostavite bazu podataka grešaka i predvidite preostali životni vek (RUL) kroz mašinsko učenje. U studiji slučaja elektrane za skladištenje energije, ova strategija je smanjila neplanirane zastoje za 40%.
2. Dizajn optimizacije na nivou sistema
Poboljšanje topologije: Usvajanje tehnologije sinhrone ispravljanja umjesto tradicionalnih dioda može povećati efikasnost za 2% -3%. Na primjer, u kućištu komunikacijskog napajanja od 48 V, sinhroni ispravljač je povećao efikasnost sa 92% na 95%.
Saradnja u upravljanju toplotom: Kombinovanje sistema tečnog hlađenja sa optimizovanim rasporedom dioda. U studiji slučaja elektrane za skladištenje energije na nivou megavata, ovo rešenje je smanjilo porast temperature PCS-a za 10 stepeni i povećalo efikasnost za 0,8%.
Dizajn redundantnosti: Ključni krug usvaja paralelne diode. U studiji slučaja sistema za skladištenje energije u nuklearnoj elektrani, dizajn redundanse je postigao dostupnost sistema od 99,999%.