Hvordan isolerer dioder lokale kredsløb under strømnetfejl?

一, Den fysiske mekanisme for diodefejlisolering
PN-forbindelsesstrukturen af ​​en diode giver den naturlig strømblokeringsevne. Når der opstår en kortslutningsfejl i elnettet, falder spændingen ved fejlpunktet kraftigt og danner et elektrisk omvendt forspændingsfelt. På dette tidspunkt går dioden ind i afskæringstilstanden, og den omvendte modstand kan nå megaohm-niveauet. Tager man det solcelle-nettilsluttede system som et eksempel, når der opstår en pol-til-pol-kortslutning på DC-siden, kan Schottky-dioden (såsom SB560, med et fremadgående spændingsfald på 0,5V) forbundet parallelt med begge ender af det fotovoltaiske modul modstå en omvendt spænding på over 1000V og fuldstændig strømblokering inden for μ0 størrelsesordener, hvilket er 1 størrelsesorden på μ0. hurtigere end traditionelle relæordninger.

I kommunikationssystemer er dioders isoleringsegenskaber tæt forbundet med fejltypen. Når der opstår en enkeltfaset jordingsfejl, stiger ikke-fejlfasespændingen til linjespændingsniveauet. På dette tidspunkt kan den hurtige genoprettelsesdiode (såsom FR307, omvendt genopretningstid 100ns) forbundet anti-parallelt til begge ender af omskifterenheden effektivt forhindre kondensatoroveropladning. Ifølge data fra Tennets ± 500kV DC transmissionsprojekt i Tyskland, efter at have vedtaget denne ordning, faldt fluktuationsområdet for submodul kondensatorspænding fra ± 15% til ± 3%, og systemeffektiviteten blev forbedret med 1,2 procentpoint.

2, Isolationsanvendelse af typiske fejlscenarier
1. Fejlzoneinddeling af DC distributionssystem
I et diodebaseret DC-distributionssystem, når der opstår en permanent to-polet kortslutning i ledningen, stiger startstrømmen af ​​den fejlbehæftede linje hurtigt til 8,3kA, mens terminalstrømmen falder til 0 inden for 1ms på grund af diodens omvendte cutoff-karakteristik. Forskningen udført af Li Bins team ved Tianjin University viser, at denne ordning kan begrænse virkningsområdet for fejl mellem to konverterstationer, reducere det med 60 % sammenlignet med traditionelle ordninger og forkorte spændingsfaldstiden fra 200 ms til 20 ms, hvilket væsentligt forbedrer strømforsyningens pålidelighed.

I den specifikke implementering er hvert DC-bussegment udstyret med et anti-parallel diodemodul. Når fejlstrømmen overstiger tærsklen, afbryder den hurtige koblingsanordning fejlvejen inden for 100 μs, og dioden danner automatisk en isolationsbarriere. Efter at have adopteret denne teknologi øgede Huawei SUN2000-125KTL fotovoltaiske inverteren sin strømproduktion med 9,3 % i delvist blokerede scenarier med en europæisk effektivitet på 98,8 %.

2. Modulær multilevel konverterbeskyttelse
I MMC-undermodulet danner dioder og IGBT'er en tovejs blokeringsstruktur. Når spændingsubalancen i undermodulkondensatoren overstiger 10 %, oplever den serieforbundne siliciumcarbiddiode (såsom C3D06060A) et fremadgående spændingsfald på 1,3V@10A )Kan forhindre overopladning af kondensatoren. Efter at have vedtaget denne ordning reducerede Siemens SICAM AIS-netstabilisatoren submoduls switchtab med 40 % og forkortede systemets responstid fra 10ms til 3ms.

I ingeniørpraksis skal de omvendte gendannelsesegenskaber for dioder tages i betragtning. Brugen af ​​hurtiggendannelsesdioder (såsom FR307) kan reducere IGBT-switchtab med 35 % sammenlignet med almindelige ensrettere. ABB's Power Grid-serie intelligente isolationsdioder overvåger overgangstemperatur, strøm og andre parametre i realtid gennem indbyggede-sensorer, advarer potentielle fejl 0,5 ms i forvejen og øger den gennemsnitlige tid mellem fejl i systemet til 200.000 timer.

3. Redundant design af distribuerede strømkilder
I string fotovoltaiske invertere opnår flere MPPT-kanaler strømredundans gennem dioder eller gate-kredsløb. Når udgangseffekten af ​​en bestemt kanal falder på grund af skyggeobstruktion, skifter Schottky-dioden (såsom MBR2045CT, med et fremadgående spændingsfald på 0,32V) automatisk til den sunde kanal. Test har vist, at denne ordning kan øge energiproduktionen af ​​fotovoltaiske arrays med 8% -12%, især i delvist blokerede scenarier, hvor fordelene er betydelige.

Tesla Megapack energilagringssystemet anvender et integreret isolationsskema, og en ideel diodecontroller baseret på MOSFET (såsom LM5050) opnår nul omvendt gendannelsestid. Denne ordning reducerer isolationstabet mellem batteriklynger fra 2,5W til 0,3W, forbedrer systemcykluseffektiviteten med 0,2 procentpoint og reducerer ledningsspændingsfaldet på 0,05V med 90% sammenlignet med traditionelle dioder.

3, Engineering optimering og præstationsforbedring strategier
1. Udvælgelse af komponenter med lavt tab
Ledningstabet af traditionelle siliciumdioder er blevet en flaskehals i højfrekvente applikationer. Brugen af ​​Schottky-dioder af siliciumcarbid kan reducere ledningstab med 60 %. I en 100kW fotovoltaisk inverter reducerer denne ordning diodetab fra 120W til 48W og forbedrer systemets effektivitet med 0,05 procentpoint. EPC2054 GaN-dioden lanceret af EPC-firmaet har et fremadgående spændingsfald på kun 0,2V ved 10A strøm, hvilket er 85% lavere end SiC-enheder.

2. Termisk styringsoptimering
I applikationer med høj-effekt er temperaturstyring af diodeforbindelser afgørende. Det sammensatte varmeafledningssystem ved hjælp af termisk ledende silikonefedt (termisk modstand 0,5 grader /W) og aluminiumssubstrat (termisk modstand 1 grad /W) kan reducere overgangstemperaturen fra 125 grader til 85 grader under 100A strøm, hvilket forlænger enhedens levetid med mere end tre gange. Huawei invertere bruger væskekølingsteknologi til at kontrollere diodeforbindelsestemperaturen inden for 105 grader og øge effekttætheden til 1,2kW/kg.

3. Elektromagnetisk kompatibilitetsdesign
Di/dt-støjen, der genereres af diodekontakter, skal undertrykkes af et RC-bufferkredsløb. I en 10kW inverter kan et bufferkredsløb, der bruger 0,1 μ F filmkondensatorer og 10 Ω modstande, reducere spændingsoverskridelse fra 50V til 5V, hvilket opfylder IEC 61000-4-5 elektromagnetisk kompatibilitetsstandard. Siemens SIRIUS-seriens intelligente isolationsdiode undertrykker switch-støj under 20dB gennem et indbygget RC-netværk.

4, Frontier teknologi trends
1. Bredt båndgab halvlederapplikationer
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz), erstatter gradvist siliciumenheder i avancerede-områder såsom 5G-basestationsstrømforsyninger og fly- og rumfartsstrømforsyninger. EPC2054 GaN-dioden lanceret af EPC-firmaet har et fremadgående spændingsfald på kun 0,2V ved 10A strøm, hvilket er 85% lavere end SiC-enheder.

2. Integration af intelligent isolationsteknologi
Det intelligente diodemodul kombineret med digital styringsteknologi kan opnå dynamisk spændingsfaldskompensation og fejlforudsigelse. Power Grid-seriens intelligente isolationsdioder lanceret af ABB-virksomheden overvåger overgangstemperatur, strøm og andre parametre i realtid gennem indbyggede-sensorer og advarer potentielle fejl 0,5 ms i forvejen, hvilket øger systemets gennemsnitlige fejlfri tid til 200.000 timer.

5, Brancheansøgningssager
1. Tennet DC transmissionsprojekt i Tyskland
I ± 500kV DC-transmissionsprojektet reducerer MMC-undermodulet, der anvender siliciumcarbiddiodemoduler, spændingsudsvingsområdet for undermodulkondensatoren fra ± 15 % til ± 3 % og forbedrer systemets effektivitet med 1,2 procentpoint. Den årlige transmissionskapacitet for dette projekt når 12 milliarder kilowatttimer, hvilket svarer til at reducere forbruget af standardkul med 3,6 millioner tons.

2. Tesla Megapack energilagringssystem
Batteriklyngeisoleringsskemaet baseret på GaN-dioder forbedrer systemets cykluseffektivitet med 0,2 procentpoint, mens det reducerer ledningsspændingsfaldet med 90 % sammenlignet med traditionelle dioder ved 0,05V. Systemet er blevet implementeret globalt for over 10 GWh, hvilket understøtter forbruget af vedvarende energi.