Ποια είναι η επίδραση της βλάβης της διόδου στον μετατροπέα;

一, Τύποι και φυσικοί μηχανισμοί διάσπασης διόδου
Η διάσπαση διόδων μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους: ηλεκτρική και θερμική διάσπαση και οι φυσικοί μηχανισμοί τους σχετίζονται στενά με τις ιδιότητες του υλικού, τη συγκέντρωση ντόπινγκ, τη θερμοκρασία και άλλους παράγοντες.

1. Ηλεκτρική βλάβη: μια αναστρέψιμη φυσική διαδικασία
Η ηλεκτρική βλάβη περιλαμβάνει δύο μηχανισμούς: τη βλάβη Zener και τη βλάβη χιονοστιβάδας

Βλάβη Zener: συμβαίνει σε συνδέσμους PN με υψηλή πρόσμειξη (όπως ρυθμιστές τάσης), όπου το πλάτος του στρώματος εξάντλησης είναι εξαιρετικά στενό (<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 μ m). Η αντίστροφη τάση επιταχύνει τους φορείς μειοψηφίας, αναγκάζοντάς τους να συγκρουστούν με το πλέγμα και να δημιουργήσουν νέους φορείς, σχηματίζοντας μια αλυσιδωτή αντίδραση χιονοστιβάδας. Η τάση διάσπασης της χιονοστιβάδας είναι γενικά υψηλότερη από 6 V και έχει θετικό συντελεστή θερμοκρασίας (η τάση διάσπασης αυξάνεται με τη θερμοκρασία).
Η ηλεκτρική διάσπαση είναι ουσιαστικά μια αναστρέψιμη φυσική διαδικασία.

2. Θερμική βλάβη: μη αναστρέψιμη καταστροφική αστοχία
Όταν το αντίστροφο ρεύμα συνεχίζει να αυξάνεται μετά από ηλεκτρική βλάβη ή όταν λαμβάνονται μέτρα άπειρου ρεύματος στο κύκλωμα, η κατανάλωση ισχύος της διασταύρωσης PN υπερβαίνει την οριακή τιμή, με αποτέλεσμα μια απότομη αύξηση της θερμοκρασίας της διασταύρωσης. Σε αυτό το σημείο, τα ηλεκτρόνια σθένους στον ομοιοπολικό δεσμό αποκτούν αρκετή ενέργεια για να απελευθερωθούν από τους ατομικούς περιορισμούς, σχηματίζοντας ένα μεγάλο αριθμό ζευγών ελεύθερων οπών ηλεκτρονίων, επιδεινώνοντας περαιτέρω την ανάπτυξη του ρεύματος και σχηματίζοντας έναν βρόχο θετικής ανάδρασης. Τελικά, η διασταύρωση PN λιώνει λόγω υπερθέρμανσης, σχηματίζοντας ένα μόνιμο βραχυκύκλωμα, γνωστό ως θερμική διάσπαση. Η θερμική διάσπαση είναι μη αναστρέψιμη και η δίοδος θα χάσει εντελώς τη λειτουργία της.

2, Άμεση βλάβη της βλάβης της διόδου στους μετατροπείς
Οι δίοδοι στους μετατροπείς χρησιμοποιούνται κυρίως για ανόρθωση, ελεύθερη περιστροφή και σύσφιξη και η βλάβη τους μπορεί να προκαλέσει διάδοση σφαλμάτων σε διαφορετικές διαδρομές.

1. Βλάβη διόρθωσης διόδου: βραχυκύκλωμα ισχύος και έκρηξη πυκνωτή
Σε φωτοβολταϊκούς μετατροπείς ή βιομηχανικές πηγές ισχύος, η γέφυρα ανορθωτή αποτελείται από 6 διόδους (3 κοινή κάθοδο και 3 κοινή άνοδο). Εάν μια μεμονωμένη δίοδος διασπαστεί θερμικά για να σχηματιστεί βραχυκύκλωμα, θα προκαλέσει απευθείας αγωγή των θετικών και αρνητικών πόλων του διαύλου DC, οδηγώντας σε βραχυκύκλωμα ισχύος. Σε αυτό το σημείο, ο πυκνωτής φιλτραρίσματος θερμαίνεται γρήγορα λόγω υπερβολικού ρεύματος, προκαλώντας την εξάτμιση και διαστολή του ηλεκτρολύτη, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε έκρηξη. Για παράδειγμα, σε ένα συγκεκριμένο φωτοβολταϊκό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής, η βλάβη της διόδου ανορθωτή προκάλεσε έκρηξη του πλευρικού πυκνωτή συνεχούς ρεύματος, με αποτέλεσμα τη διάλυση ολόκληρης της μονάδας μετατροπέα και την άμεση οικονομική απώλεια άνω των 100.000 γιουάν.
2. Βλάβη διόδου σφιγκτήρα: Η τάση του διαύλου εκτός ελέγχου
Σε μετατροπείς πολλαπλών-επιπέδων, χρησιμοποιούνται δίοδοι σφιγκτήρα για τον περιορισμό των διακυμάνσεων της τάσης του διαύλου DC. Εάν η δίοδος σύσφιξης χαλάσει, η τάση του διαύλου μπορεί να υπερβεί το εύρος τάσης αντοχής IGBT, προκαλώντας διακοπή της αλυσίδας. Για παράδειγμα, ένας μετατροπέας συχνότητας μέσης τάσης παρουσίασε βλάβη στη δίοδο του σφιγκτήρα, προκαλώντας αύξηση της τάσης του διαύλου DC από 600 V σε 900 V, με αποτέλεσμα τη ζημιά και στις 12 μονάδες IGBT και χρόνο διακοπής λειτουργίας του συστήματος έως και 72 ώρες.

3, Επιδράσεις σε επίπεδο συστήματος της βλάβης διόδου
1. Ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI) και παραμόρφωση σήματος
Όταν μια δίοδος χαλάσει, η ταχεία αλλαγή στο ρεύμα βραχυκυκλώματος-θα δημιουργήσει ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή υψηλής-συχνότητας, η οποία συνδέεται με το κύκλωμα ελέγχου μέσω παρασιτικής χωρητικότητας και προκαλεί παραμόρφωση του σήματος κίνησης IGBT. Σε μια περίπτωση μετατροπέα αιολικής ισχύος, η παρεμβολή EMI που προκλήθηκε από τη διάσπαση της διόδου ελεύθερου τροχού είχε ως αποτέλεσμα απώλεια παλμού 10 μ s του σήματος κίνησης IGBT, προκαλώντας διακύμανση της ροπής του κινητήρα πέρα ​​από το 20% και πυροδότηση μηχανικού συναγερμού δόνησης.
2. Κακή λειτουργία κυκλώματος προστασίας και παράλυση συστήματος
Οι σύγχρονοι μετατροπείς είναι συνήθως εξοπλισμένοι με λειτουργίες προστασίας από υπερένταση, υπέρταση και υπερβολική θερμοκρασία. Ωστόσο, η βλάβη της διόδου μπορεί να οδηγήσει σε εσφαλμένη εκτίμηση του κυκλώματος προστασίας:
Λανθασμένη λειτουργία προστασίας από υπερένταση: Το ρεύμα βραχυκυκλώματος μπορεί να εκληφθεί λανθασμένα ως ξαφνική αλλαγή στο φορτίο, προκαλώντας προστασία περιορισμού ρεύματος και προκαλώντας λειτουργία μείωσης του συστήματος.
Αστοχία προστασίας από υπέρταση: Εάν χαλάσει η δίοδος του σφιγκτήρα, το σημείο παρακολούθησης της τάσης του διαύλου αποτυγχάνει και η προστασία υπέρτασης δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί.
Καθυστέρηση προστασίας από υπερθερμοκρασία: Η θερμοκρασία στο σημείο διακοπής της διόδου μπορεί να είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία στο σημείο παρακολούθησης του αισθητήρα, προκαλώντας καθυστέρηση στην ενεργοποίηση της προστασίας από υπερθερμοκρασία.
Σε περίπτωση μετατροπέα έλξης σε μια συγκεκριμένη σιδηροδρομική μεταφορά, η βλάβη της διόδου ανορθωτή προκάλεσε κακή λειτουργία προστασίας από υπερένταση, με αποτέλεσμα τη συχνή μείωση της λειτουργίας του συστήματος. Τελικά, λόγω συσσώρευσης θερμότητας, η μονάδα IGBT εξερράγη και το τρένο σταμάτησε για 12 ώρες.
4, Στρατηγική Προστασίας και Σχεδιασμός Αξιοπιστίας
1. Σχεδιασμός κυκλώματος: πλεονασμός και περιορισμός ρεύματος
Περιττή σχεδίαση: Στη γέφυρα ανορθωτή, υιοθετείται μια πλεονάζουσα διαμόρφωση "N+1", που σημαίνει ότι οι πρόσθετες δίοδοι συνδέονται παράλληλα. Όταν μια μεμονωμένη δίοδος χαλάσει, το σύστημα μπορεί να λειτουργεί με μειωμένη χωρητικότητα.
Αντίσταση περιορισμού ρεύματος: Συνδέστε αντιστάσεις μικρής αντίστασης (όπως 0,1 Ω/5W) σε σειρά κατά μήκος της διόδου για να περιορίσετε το μέγιστο ρεύμα βραχυκυκλώματος-.
Κύκλωμα προσωρινής αποθήκευσης RC: Προσθέστε ένα κύκλωμα προσωρινής αποθήκευσης RC (όπως C=0.1 μ F, R=10 Ω) στο παράλληλο κύκλωμα της διόδου IGBT για να απορροφήσει την υπέρταση απενεργοποίησης και να μειώσει την αντίστροφη τάση της διόδου.
2. Παρακολούθηση συστήματος: διάγνωση σε πραγματικό-χρόνο και προγνωστική συντήρηση
Ανίχνευση θερμικής απεικόνισης υπέρυθρης ακτινοβολίας: Παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της θερμοκρασίας του κελύφους της διόδου μέσω μιας υπέρυθρης θερμικής απεικόνισης, που προκαλεί συναγερμό όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει την ονομαστική τιμή των 15 βαθμών.
Παρακολούθηση ηλεκτρικών παραμέτρων: Παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο του ρεύματος της διόδου μέσω αισθητήρων ρεύματος (όπως αισθητήρες Hall) και η προστασία ενεργοποιείται όταν το ρεύμα υπερβαίνει το 1,2 φορές την ονομαστική τιμή.
Πρόβλεψη σφαλμάτων τεχνητής νοημοσύνης: Εκπαιδεύστε μοντέλα μηχανικής εκμάθησης με βάση ιστορικά δεδομένα για να προβλέψετε την υπολειπόμενη διάρκεια ζωής (RUL) των διόδων και να αντικαταστήσετε εκ των προτέρων εξαρτήματα υψηλού- κινδύνου.