Cum izolează diodele circuitele locale în timpul defecțiunilor rețelei electrice?

一, Mecanismul fizic al izolării defectelor diodei
Structura de joncțiune PN a unei diode îi conferă o capacitate naturală de blocare a curentului. Când apare o defecțiune de scurtcircuit în rețeaua electrică, tensiunea la punctul de defecțiune scade brusc, formând un câmp electric de polarizare inversă. În acest moment, dioda intră în starea de tăiere, iar rezistența inversă poate atinge nivelul de megaohm. Luând ca exemplu sistemul fotovoltaic conectat la rețea, atunci când are loc un scurtcircuit de la pol la pol pe partea de curent continuu, dioda Schottky (cum ar fi SB560, cu o cădere de tensiune directă de 0,5 V) conectată în paralel la ambele capete ale modulului fotovoltaic poate rezista la o tensiune inversă de peste 1000 V și o blocare completă a curentului în ordine tradițională de 3 μ mai mult decât 01. scheme de relee.

În sistemele de comunicații, caracteristicile de izolare ale diodelor sunt strâns legate de tipul defecțiunii. Când apare o defecțiune de împământare cu o singură fază-, tensiunea de fază fără defecțiune crește la nivelul tensiunii de linie. În acest moment, dioda de recuperare rapidă (cum ar fi FR307, timp de recuperare inversă 100ns) conectată în antiparalel la ambele capete ale dispozitivului de comutare poate preveni în mod eficient supraîncărcarea condensatorului. Conform datelor proiectului Tennet de transmisie ± 500 kV DC din Germania, după adoptarea acestei scheme, intervalul de fluctuație al tensiunii condensatorului submodulului a scăzut de la ± 15% la ± 3%, iar eficiența sistemului s-a îmbunătățit cu 1,2 puncte procentuale.

2, Aplicarea de izolare a scenariilor de defecțiuni tipice
1. Zonarea defectelor a sistemului de distribuție DC
Într-un sistem de distribuție DC bazat pe diode, atunci când are loc un scurtcircuit permanent cu doi poli în linie, curentul inițial al liniei defectuoase crește rapid la 8,3 kA, în timp ce curentul la terminal scade la 0 în 1 ms din cauza caracteristicii de întrerupere inversă a diodei. Cercetările efectuate de echipa lui Li Bin de la Universitatea Tianjin arată că această schemă poate limita intervalul de impact al defecțiunilor între două stații de conversie, reducându-l cu 60% în comparație cu schemele tradiționale și scurtând timpul de cădere de tensiune de la 200ms la 20ms, îmbunătățind semnificativ fiabilitatea sursei de alimentare.

În implementarea specifică, fiecare segment de magistrală DC este echipat cu un modul de diodă anti-paralelă. Când curentul de defect depășește pragul, dispozitivul de comutare rapidă întrerupe calea defectului în 100 μ s, iar dioda formează automat o barieră de izolare. După adoptarea acestei tehnologii, invertorul fotovoltaic Huawei SUN2000-125KTL și-a crescut generarea de energie cu 9,3% în scenarii parțial obstrucționate, cu o eficiență europeană de 98,8%.

2. Protecție modulară a convertorului multinivel
În submodulul MMC, diodele și IGBT-urile formează o structură de blocare bidirecțională. Când dezechilibrul de tensiune al condensatorului submodulului depășește 10%, dioda cu carbură de siliciu conectată în serie (cum ar fi C3D06060A) experimentează o scădere a tensiunii directe 1,3V@10A) Poate preveni supraîncărcarea condensatorului. După adoptarea acestei scheme, stabilizatorul de rețea Siemens SICAM AIS a redus pierderile de comutare a submodulului cu 40% și a scurtat timpul de răspuns al sistemului de la 10 ms la 3 ms.

În practica ingineriei, trebuie luate în considerare caracteristicile de recuperare inversă ale diodelor. Utilizarea diodelor de recuperare rapidă (cum ar fi FR307) poate reduce pierderile de comutare IGBT cu 35% în comparație cu redresoarele obișnuite. Diodele de izolare inteligente din seria Power Grid de la ABB monitorizează temperatura joncțiunii, curentul și alți parametri în timp real prin intermediul senzorilor încorporați-, avertizând eventualele defecțiuni cu 0,5 ms în avans și crescând timpul mediu dintre defecțiuni ale sistemului la 200000 de ore.

3. Proiectare redundantă a surselor de energie distribuită
În invertoarele fotovoltaice șir, mai multe canale MPPT realizează redundanță de putere prin diode sau circuite de poartă. Când puterea de ieșire a unui anumit canal scade din cauza obstrucției în umbră, dioda Schottky (cum ar fi MBR2045CT, cu o scădere a tensiunii directe de 0,32 V) trece automat la canalul sănătos. Testele au arătat că această schemă poate crește generarea de energie a rețelelor fotovoltaice cu 8% -12%, mai ales în scenariile parțial obstrucționate în care avantajele sunt semnificative.

Sistemul de stocare a energiei Tesla Megapack adoptă o schemă de izolare integrată, iar un controler de diodă ideal bazat pe MOSFET (cum ar fi LM5050) realizează un timp de recuperare inversă zero. Această schemă reduce pierderea de izolare între grupurile de baterii de la 2,5 W la 0,3 W, îmbunătățește eficiența ciclului sistemului cu 0,2 puncte procentuale și reduce scăderea tensiunii de conducție de 0,05 V cu 90% în comparație cu diodele tradiționale.

3, Optimizarea ingineriei și strategiile de îmbunătățire a performanței
1. Selectarea componentelor cu pierderi reduse
Pierderea de conducție a diodelor tradiționale de siliciu a devenit un blocaj în aplicațiile de{0}}înaltă frecvență. Utilizarea diodelor Schottky cu carbură de siliciu poate reduce pierderile de conducție cu 60%. Într-un invertor fotovoltaic de 100 kW, această schemă reduce pierderile de diodă de la 120 W la 48 W și îmbunătățește eficiența sistemului cu 0,05 puncte procentuale. Dioda EPC2054 GaN lansată de compania EPC are o cădere de tensiune directă de numai 0,2V la un curent de 10A, care este cu 85% mai mică decât dispozitivele SiC.

2. Optimizarea managementului termic
În aplicațiile cu putere mare-, controlul temperaturii joncțiunii diodei este crucial. Schema compozită de disipare a căldurii folosind grăsime siliconică termoconductivă (rezistență termică 0,5 grade /W) și substrat de aluminiu (rezistență termică 1 grad /W) poate reduce temperatura de joncțiune de la 125 de grade la 85 de grade sub curent de 100A, prelungind durata de viață a dispozitivului de mai mult de trei ori. Invertoarele Huawei folosesc tehnologia de răcire cu lichid pentru a controla temperatura joncțiunii diodei cu 105 de grade și pentru a crește densitatea de putere la 1,2 kW/kg.

3. Design de compatibilitate electromagnetică
Zgomotul di/dt generat de comutatoarele cu diode trebuie suprimat de un circuit tampon RC. Într-un invertor de 10 kW, un circuit tampon care utilizează condensatori cu film de 0,1 μF și rezistențe de 10 Ω poate reduce depășirea tensiunii de la 50 V la 5 V, respectând standardul de compatibilitate electromagnetică IEC 61000-4-5. Dioda de izolare inteligentă Siemens SIRIUS suprimă zgomotul de comutare sub 20 dB printr-o rețea RC încorporată.

4, Tendințe tehnologice de frontieră
1. Aplicații de semiconductor cu bandgap largă
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz), înlocuiesc treptat dispozitivele cu siliciu în domenii de ultimă generație, cum ar fi sursele de alimentare pentru stația de bază 5G și sursele de alimentare aerospațiale. Dioda EPC2054 GaN lansată de compania EPC are o cădere de tensiune directă de numai 0,2V la un curent de 10A, care este cu 85% mai mică decât dispozitivele SiC.

2. Integrarea tehnologiei inteligente de izolare
Modulul de diodă inteligent combinat cu tehnologia de control digital poate obține compensarea dinamică a căderii de tensiune și predicția defecțiunilor. Diodele de izolare inteligente din seria Power Grid lansate de compania ABB monitorizează temperatura joncțiunii, curentul și alți parametri în timp real prin intermediul senzorilor încorporați-și avertizează potențialele defecțiuni cu 0,5 ms în avans, crescând timpul mediu fără defecțiuni al sistemului la 200000 de ore.

5, cazuri de aplicare în industrie
1. Proiect de transmisie Tennet DC în Germania
În proiectul de transmisie de ± 500 kV DC, submodulul MMC care utilizează module cu diode cu carbură de siliciu reduce intervalul de fluctuație de tensiune a condensatorului submodulului de la ± 15% la ± 3% și îmbunătățește eficiența sistemului cu 1,2 puncte procentuale. Capacitatea anuală de transport a acestui proiect ajunge la 12 miliarde de kilowați-oră, ceea ce echivalează cu reducerea consumului de cărbune standard cu 3,6 milioane de tone.

2. Sistem de stocare a energiei Tesla Megapack
Schema de izolare a grupului de baterii bazată pe diode GaN îmbunătățește eficiența ciclului sistemului cu 0,2 puncte procentuale, reducând în același timp căderea tensiunii de conducție cu 90% în comparație cu diodele tradiționale la 0,05V. Sistemul a fost implementat la nivel global pentru peste 10 GWh, susținând consumul de energie regenerabilă.