Ποιες είναι οι συνέπειες του βραχυκυκλώματος ή του ανοιχτού κυκλώματος διόδου στο ενεργειακό σύστημα;

一, Αλυσιδωτή αντίδραση σφάλματος βραχυκυκλώματος διόδου
1. Μηχανισμός βραχυκυκλώματος και συνθήκες ενεργοποίησης
Ένα βραχυκύκλωμα διόδου συνήθως προκαλείται από βλάβη του τσιπ, ρωγμές συσκευασίας ή κακή συγκόλληση. Σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής υγρασίας, η απορρόφηση υγρασίας και η διαστολή των υλικών συσκευασίας μπορεί να προκαλέσει σπάσιμο του εσωτερικού στρώματος επιμετάλλωσης. Σε σενάρια υπέρτασης, οι κόμβοι PN ενδέχεται να λειτουργούν μόνιμα λόγω βλάβης από χιονοστιβάδα. Για παράδειγμα, ένα έργο φωτοβολταϊκού μετατροπέα παρουσίασε βραχυκύκλωμα εντός 10 ms λόγω αντίστροφης υπέρτασης της διόδου που προκαλείται από κεραυνούς.

2. Επίπτωση σε επίπεδο συστήματος
(1) Αλλαγή στη διαδρομή μετάδοσης ενέργειας
Βλάβη του κυκλώματος ανορθωτή: Σε ένα κύκλωμα ανορθωτή γέφυρας, εάν μια δίοδος είναι βραχυκυκλωμένη, θα προκαλέσει άμεση αγωγιμότητα μεταξύ των πλευρών AC και DC, οδηγώντας σε κορεσμό του μετασχηματιστή ή του επαγωγέα. Λόγω ενός βραχυκυκλώματος στη δίοδο ανορθωτή ενός συγκεκριμένου έργου συστήματος αποθήκευσης ενέργειας, το ρεύμα εισόδου αυξήθηκε σε τρεις φορές την ονομαστική τιμή και ο μετασχηματιστής κάηκε μέσα σε 5 δευτερόλεπτα.
Βραχυκύκλωμα στο κύκλωμα ελεύθερου τροχού: Σε κυκλώματα κίνησης κινητήρα ή επαγωγικής αποθήκευσης ενέργειας, ένα βραχυκύκλωμα-στη δίοδο ελεύθερου τροχού μπορεί να βλάψει τη διαδρομή ανάδρασης ενέργειας. Για παράδειγμα, σε ένα συγκεκριμένο έργο μετατροπέα ηλεκτρικού οχήματος, λόγω βραχυκυκλώματος στη δίοδο ελεύθερου τροχού, η πίσω ηλεκτροκινητική δύναμη του κινητήρα εφαρμόστηκε απευθείας στη συσκευή ισχύος, προκαλώντας έκρηξη της μονάδας IGBT εντός 100 μ s.
(2) Αστοχία μηχανισμού προστασίας
Αποτυχία κατά της αντίστροφης προστασίας: Στα συστήματα DC, ένα βραχυκύκλωμα στη δίοδο αντιστροφής μπορεί να προκαλέσει άμεση βλάβη στον εξοπλισμό όταν αντιστραφεί η πολικότητα ισχύος. Το έργο UPS σε ένα συγκεκριμένο κέντρο δεδομένων υπέστη απώλειες άνω των 500.000 γιουάν λόγω βραχυκυκλώματος-της διόδου αντιστροφής, το οποίο προκάλεσε καύση της μονάδας ανορθωτή κατά τη διάρκεια κακής λειτουργίας συντήρησης.
Παράκαμψη προστασίας από υπέρταση: Το βραχυκύκλωμα της διόδου TVS θα την κάνει να χάσει τη λειτουργία σύσφιξης και η υπέρταση θα μεταδοθεί απευθείας στο επόμενο κύκλωμα. Λόγω βραχυκυκλώματος διόδου TVS σε ένα συγκεκριμένο έργο φωτοβολταϊκών συστοιχιών, η τάση εξόδου των εξαρτημάτων εκτινάχθηκε στα 1000V (ονομαστική 600V), προκαλώντας-αστοχίες μετατροπέα μεγάλης κλίμακας.
(3) Κίνδυνος θερμικής διαρροής
Ένα βραχυκύκλωμα προκαλεί αλλαγή στη διαδρομή ρεύματος, με αποτέλεσμα μια σημαντική αύξηση της τοπικής πυκνότητας ρεύματος. Μια δοκιμή ενός έργου μετατροπέα αιολικής ενέργειας έδειξε ότι μετά από βραχυκύκλωμα διόδου, η θερμοκρασία διασταύρωσης των παρακείμενων συσκευών ισχύος αυξήθηκε από 85 βαθμούς σε 200 βαθμούς μέσα σε 2 δευτερόλεπτα, προκαλώντας θερμική διαρροή της αλυσίδας.

2, Συστημικοί κίνδυνοι από σφάλματα ανοιχτού κυκλώματος διόδου
1. Μηχανισμός ανοιχτού κυκλώματος και τυπικά σενάρια
Το ανοιχτό κύκλωμα προκαλείται συνήθως από κατάρρευση συγκόλλησης, θραύση τσιπ ή θραύση ηλεκτροδίου. Σε περιβάλλοντα δόνησης (όπως ηλεκτρικά οχήματα), το κάταγμα κόπωσης μολύβδου είναι μια κοινή αιτία. Σε σενάρια υψηλής θερμοκρασίας, η αναντιστοιχία μεταξύ του συντελεστή θερμικής διαστολής της συσκευασίας και του τσιπ μπορεί να οδηγήσει σε ρωγμές.

2. Επίπτωση σε επίπεδο συστήματος
(1) Διακοπή μετάδοσης ενέργειας
Απώλεια εξόδου διόρθωσης: Σε ένα κύκλωμα διόρθωσης τριών-φάσεων, εάν μια δίοδος είναι ανοιχτού κυκλώματος, θα προκαλέσει αύξηση της τάσης εξόδου. Ένα συγκεκριμένο έργο βιομηχανικής τροφοδοσίας προκάλεσε την αύξηση του κυματισμού της τάσης εξόδου από 5% σε 30% λόγω του ανοιχτού κυκλώματος της διόδου, με αποτέλεσμα την κακή λειτουργία του εξοπλισμού φορτίου.
Αποσυνδεδεμένο κύκλωμα ελεύθερου τροχού: Σε ένα επαγωγικό κύκλωμα αποθήκευσης ενέργειας, μια ανοιχτή δίοδος ελεύθερου τροχού μπορεί να προκαλέσει την απελευθέρωση της ενέργειας του επαγωγέα πουθενά, με αποτέλεσμα αιχμές υψηλής τάσης. Ένα συγκεκριμένο έργο οδηγού LED παρουσίασε αύξηση της τάσης του επαγωγέα στα 800 V (ονομαστική 400 V) λόγω ενός ανοιχτού κυκλώματος στη δίοδο ελεύθερου τροχού, με αποτέλεσμα τη βλάβη του MOSFET.
(2) Απώλεια λειτουργίας προστασίας
Αστοχία προστασίας από υπερένταση: Σε μια ομάδα παράλληλων διόδων, εάν μία από τις δίοδους είναι ανοιχτή, οι υπόλοιπες δίοδοι πρέπει να έχουν μεγαλύτερο ρεύμα. Ένα συγκεκριμένο έργο κυκλώματος εξισορρόπησης μπαταρίας αποθήκευσης ενέργειας προκάλεσε υπερφόρτωση και εξάντληση άλλων διόδων λόγω ανοιχτού κυκλώματος μιας διόδου, με αποτέλεσμα την υπερφόρτιση της μπαταρίας.
Αποτυχία λειτουργίας απομόνωσης: Στην προστασία επιπέδου φωτοβολταϊκών μονάδων, ένα ανοιχτό κύκλωμα στη δίοδο παράκαμψης μπορεί να επιδεινώσει το φαινόμενο καυτού σημείου. Λόγω του ανοιχτού κυκλώματος της διόδου παράκαμψης σε ένα συγκεκριμένο έργο φωτοβολταϊκού σταθμού, η θερμοκρασία ενός συγκεκριμένου εξαρτήματος ανέβηκε στους 150 βαθμούς υπό σκιερό εμπόδιο, προκαλώντας θραύση γυαλιού.
(3) Η σταθερότητα του συστήματος μειώνεται
Το ανοιχτό κύκλωμα μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στην τοπολογία του κυκλώματος, οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν σε συντονισμό ή ταλάντωση. Ένα συγκεκριμένο έργο μονάδας φόρτισης ηλεκτρικού οχήματος παρουσίασε ένα ανοιχτό κύκλωμα διόδου, με αποτέλεσμα το κύκλωμα συντονισμού LLC να αποσυντονιστεί και η τάση εξόδου να διακυμάνθηκε περισσότερο από ± 15%, προκαλώντας προστατευτικό κλείσιμο.

3, Συνέπειες βλαβών σε τυπικά ενεργειακά συστήματα
1. Φωτοβολταϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας
Κρούση στάθμης εξαρτήματος: Ένα ανοιχτό κύκλωμα στη δίοδο παράκαμψης μπορεί να προκαλέσει την υπέρβαση της θερμοκρασίας θερμικού σημείου του εξαρτήματος όταν εμποδίζεται μερικώς, επιταχύνοντας τη γήρανση του υλικού συσκευασίας. Το βραχυκύκλωμα μπορεί να προκαλέσει σφάλμα στο πλευρικό τόξο DC. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία ενός φωτοβολταϊκού σταθμού ισχύος 5 MW, οι βλάβες των διόδων αντιπροσωπεύουν το 18% των αστοχιών εξαρτημάτων, με αποτέλεσμα την ετήσια απώλεια παραγωγής ενέργειας άνω των 500000 kWh.
Κρούση στάθμης μετατροπέα: Το βραχυκύκλωμα της διόδου ανορθωτή μπορεί να προκαλέσει ανεξέλεγκτη τάση διαύλου DC, οδηγώντας σε έκρηξη της μονάδας IGBT. Το ανοιχτό κύκλωμα οδηγεί σε διακοπτόμενο ρεύμα εισόδου, προκαλώντας θόρυβο και δόνηση του μετασχηματιστή.
2. Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας
Επίπτωση στην εξισορρόπηση της μπαταρίας: Ένα ανοιχτό κύκλωμα στη δίοδο του κυκλώματος εξισορρόπησης μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένη ασυνέπεια στο πακέτο μπαταριών και να μειώσει τη διάρκεια ζωής του κύκλου. Ένα βραχυκύκλωμα μπορεί να προκαλέσει υπερφόρτιση/υπερεκφόρτιση. Λόγω σφάλματος στη δίοδο εξισορρόπησης ενός συγκεκριμένου έργου σταθμού αποθήκευσης ενέργειας, ο ρυθμός υποβάθμισης της χωρητικότητας του πακέτου μπαταριών έχει αυξηθεί από 3%/έτος σε 8%/έτος.
Επίπτωση μετατροπής DC/DC: Το ανοιχτό κύκλωμα σύγχρονης διόδου ανορθωτή μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της απόδοσης άνω του 10%. Το βραχυκύκλωμα μπορεί να προκαλέσει υπέρβαση της τάσης εξόδου.
3. Σύστημα φόρτισης ηλεκτρικού οχήματος
Κρούση μονάδας φόρτισης: Το βραχυκύκλωμα της διόδου κυκλώματος PFC μπορεί να προκαλέσει την υπέρβαση του τυπικού ρυθμού παραμόρφωσης του ρεύματος εισόδου, ενεργοποιώντας την προστασία του δικτύου. Ένα ανοιχτό κύκλωμα θα προκαλέσει πτώση του συντελεστή ισχύος κάτω από 0,7 και θα οδηγήσει σε πρόστιμο από το ηλεκτρικό δίκτυο.
Επίδραση του φορτιστή αυτοκινήτου: Το ανοιχτό κύκλωμα της διόδου ανορθωτή εξόδου θα προκαλέσει διακοπή φόρτισης. Ένα βραχυκύκλωμα μπορεί να προκαλέσει υπέρταση στην μπαταρία. Σε ένα συγκεκριμένο περιστατικό ανάκλησης οχημάτων, περισσότερα από 20000 οχήματα ανακλήθηκαν λόγω του κινδύνου βραχυκυκλώματος της διόδου εξόδου.
4, Διάγνωση βλαβών και στρατηγική προστασίας
1. Τεχνολογία ηλεκτρονικής παρακολούθησης
Παρακολούθηση τάσης/ρεύματος: Παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της τάσης και του ρεύματος κατά μήκος της διόδου μέσω αισθητήρων Hall, ενεργοποιώντας συναγερμό εάν υπάρχει μη φυσιολογική διακύμανση που υπερβαίνει το 10%.
Infrared temperature measurement: Infrared thermal imager is used to monitor the surface temperature of the diode. When the junction temperature exceeds the limit (such as SiC diode>175 μοίρες), θα σβήσει αυτόματα.
Ανάλυση φάσματος σύνθετης αντίστασης: Με την έγχυση σημάτων υψηλής-συχνότητας για την ανίχνευση της αντίστασης ισοδύναμης σειράς των διόδων, η σύνθετη αντίσταση πλησιάζει το άπειρο στο ανοιχτό κύκλωμα και το μηδέν στο βραχυκύκλωμα.
2. Περιττός σχεδιασμός
Παράλληλος πλεονασμός: Πολλαπλές δίοδοι συνδέονται παράλληλα σε κρίσιμα κυκλώματα και το σύστημα μπορεί ακόμα να λειτουργήσει σε περίπτωση ενός μόνο σφάλματος. Για παράδειγμα, ένας συγκεκριμένος μετατροπέας αιολικής ενέργειας χρησιμοποιεί 4 παράλληλες διόδους SiC και η απόδοση του συστήματος μειώνεται μόνο κατά 2% μετά από ένα μόνο ανοιχτό κύκλωμα.
Εφεδρική διαδρομή: Εγκαταστήστε έναν μηχανικό διακόπτη παράλληλα με μια δίοδο στο κύκλωμα αντιστροφής και μεταβείτε αυτόματα στη διαδρομή διακόπτη όταν η δίοδος αποτύχει.
3. Αναβαθμίσεις υλικών και διαδικασιών
Συσκευασία ανθεκτική στην υγρασία: χρησιμοποιείται κεραμική ή αεροστεγής συσκευασία για την επαλήθευση της αξιοπιστίας μέσω διπλών δοκιμών 85 (85 μοίρες /85% RH/1000h).
Συγκόλληση χαμηλής καταπόνησης: Χρησιμοποιήστε συγκόλληση{0}}χωρίς μόλυβδο και ελαστικά καλώδια για να επαληθεύσετε την αντοχή στην κόπωση μέσω δοκιμών κραδασμών (όπως 5-2000Hz/10g).
5, Μελέτη περίπτωσης: Σφάλμα διόδου σε μετατροπέα υπεράκτιας αιολικής ενέργειας
Ένα συγκεκριμένο υπεράκτιο έργο αιολικής ενέργειας βρίσκεται σε περιοχή επιρρεπή σε τυφώνα και ο αρχικός σχεδιασμός χρησιμοποιούσε συνηθισμένες διόδους-πυριτίου. Μετά από 2 χρόνια λειτουργίας, πολλά καλώδια διόδων έσπασαν (ανοιχτό κύκλωμα) λόγω κραδασμών και 3 δίοδοι βραχυκυκλώθηκαν λόγω διάβρωσης με ψεκασμό αλατιού. Δυσλειτουργία που προκαλεί:

Διακοπή μετάδοσης ενέργειας: 12 μετατροπείς απενεργοποιήθηκαν, με αποτέλεσμα την ημερήσια απώλεια παραγωγής ενέργειας άνω των 50 MWh ανά μετατροπέα.
Ζημιά στην αλυσίδα εξοπλισμού: Έκρηξη μονάδας IGBT που προκαλείται από βραχυκύκλωμα, το κόστος επισκευής υπερβαίνει τα 2 εκατομμύρια γιουάν.
Υποβάθμιση σταθερότητας συστήματος: Το ανοιχτό κύκλωμα οδηγεί σε διακοπτόμενο ρεύμα εισόδου και ο θόρυβος του μετασχηματιστή φτάνει τα 85 dB (σχεδιασμός<65dB).
Το σχέδιο βελτίωσης περιλαμβάνει:

Αναβάθμιση συσκευής: Αντικατάσταση με διόδους SiC και κεραμική συσκευασία.
Δομική ενίσχυση: χρήση στηριγμάτων μείωσης κραδασμών και τριών στεγανωτικών επιστρώσεων.
Αναβάθμιση παρακολούθησης: Χρησιμοποιήστε αισθητήρες υπέρυθρης θερμοκρασίας και δόνησης.
Μετά τη βελτίωση, το σύστημα λειτουργεί συνεχώς για 3 χρόνια χωρίς αστοχίες διόδου, με ετήσια αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατά 12% και μείωση του κόστους συντήρησης κατά 70%.