Com utilitzar els díodes per aconseguir la transmissió d'energia unidireccional a les microxarxes?

1, la base física de la conductivitat unidireccional dels díodes
L'estructura central d'un díode és una unió PN, formada per la combinació d'un semiconductor de tipus P-(amb alta concentració de forats) i un semiconductor de tipus N- (amb alta concentració d'electrons). A la interfície de la unió PN, els electrons es difonen de la regió N a la regió P i els forats es difonen de la regió P a la regió N, fent que la regió P es carregui negativament a prop de la unió i que la regió N es carregui positivament a prop de la unió, formant un camp elèctric intern (regió de càrrega espacial). Aquest camp elèctric té dues característiques clau:

Conducció positiva: quan la regió P està connectada al pol positiu de la font d'alimentació i la regió N està connectada al pol negatiu, el camp elèctric extern debilita el camp elèctric integrat-, la regió de càrrega espacial s'estreny i la majoria de portadors (electrons i forats) poden creuar la regió d'unió per formar un corrent, donant lloc a un estat de baixa resistència del díode.
Tall invers: quan la regió P està connectada a l'elèctrode negatiu i la regió N està connectada a l'elèctrode positiu, el camp elèctric extern millora el -camp elèctric integrat, la regió de càrrega espacial s'eixampla, la majoria dels portadors de càrrega es bloquegen i només uns pocs portadors de càrrega formen un petit corrent invers (corrent de fuga), donant lloc a un estat de resistència alta del díode.
Aquesta característica fa dels díodes un component ideal per aconseguir un flux d'energia unidireccional. Prenent com a exemple els díodes de silici, la seva caiguda de tensió de conducció directa és d'uns 0,6-0,7 V i la seva tensió de ruptura inversa pot arribar a diversos centenars de volts, que poden complir els requisits d'aïllament de CC de baixa tensió (com ara 48 V) a CC de mitjana tensió (com ara 400 V) a les microxarxes.

2, el requisit bàsic per a la transmissió d'energia unidireccional a les microxarxes
El flux d'energia de les microxarxes té les característiques de multi-font, bidireccional i dinàmic, i la seva gestió energètica ha d'abordar tres qüestions bàsiques:

Aïllament entre fonts d'alimentació: per evitar que diferents fonts d'energia (com ara fotovoltaica, emmagatzematge d'energia, generadors dièsel) s'afectin entre elles per fluctuacions de tensió o avaries.
Control de retroalimentació d'energia: per evitar que l'energia torni a fluir a la xarxa feble i provoqui un augment de la tensió durant el frenat del motor o la sobregeneració fotovoltaica.
Aïllament ràpid d'errors: quan una font d'alimentació o una càrrega experimenta un curtcircuit, el camí de l'error es talla per evitar que l'error es propagui.
Les solucions tradicionals es basen en contactors o disjuntors, però pateixen temps de resposta lents (en mil·lisegons), desgast mecànic i altres problemes. El díode, amb la seva velocitat de resposta en nanosegons i sense característiques de contacte mecànic, s'ha convertit en un component clau per aconseguir un aïllament energètic ràpid i fiable.

3, Escenaris típics d'aplicació de díodes en microxarxes
(1) Transmissió unidireccional de l'energia del bus DC
A les microxarxes de corrent continu, els díodes s'utilitzen habitualment per construir enllaços conductors unidireccionals, que permeten el control del flux d'energia entre barres de diferents nivells de tensió. Per exemple:

Sistema d'emmagatzematge d'energia fotovoltaica: la matriu fotovoltaica subministra energia al bus de 48 V CC mitjançant díodes i la bateria d'emmagatzematge d'energia està connectada al mateix bus mitjançant un convertidor CC/CC. Quan la potència de sortida fotovoltaica supera la demanda de càrrega, el díode evita que l'energia torni al panell fotovoltaic, evitant danys al panell a causa de l'escalfament de polarització inversa; Mentrestant, el sistema d'emmagatzematge d'energia absorbeix l'excés d'energia mitjançant convertidors DC/DC bidireccionals.
Connexió en paral·lel de múltiples fonts d'energia: en una microxarxa complementària d'emmagatzematge d'energia solar eòlica, es connecten diferents fonts d'energia en paral·lel al bus de corrent continu mitjançant díodes. Quan una font d'alimentació es tanca a causa d'una fallada, el díode talla automàticament la seva connexió al bus per evitar que la tensió de falla afecti altres fonts d'alimentació.
(2) Supressió de retroalimentació d'energia en el costat de la comunicació
A la microxarxa de comunicació, la combinació de díodes amb tiristors o IGBT pot construir circuits de supressió de retroalimentació d'energia. Per exemple:

Sistema d'accionament del motor: quan el motor està en estat de frenada, l'energia regenerada es retorna al bus de CC mitjançant díodes paral·lels inversos. Si la tensió del bus és massa alta, el díode es connecta en sèrie amb la resistència de frenada per convertir l'excés d'energia en consum d'energia tèrmica, evitant la sobretensió del bus de corrent continu.
Connexió a la xarxa de generació distribuïda: a l'extrem de sortida de l'inversor, els díodes poden evitar que l'energia torni a fluir a l'inversor en cas de fallades de la xarxa (com ara sobretensions), protegint els dispositius de potència dels danys per sobreintensitat.
(3) Aïllament i protecció ràpids de fallades
Els díodes tenen avantatges únics en la protecció de fallades de microxarxa. Per exemple:

Protecció contra curt-CC: en una microxarxa de CC, si es produeix un curtcircuit en una branca, el corrent de curt-circuit formarà un circuit de baixa impedància a través d'un díode. En aquest moment, el fusible ràpid o l'interruptor pot detectar el senyal de sobreintensitat i tallar la branca defectuosa, mentre que el díode pot evitar que el corrent de curt-circuit torni cap a altres branques sanes.
Aïllament de fallades a terra: en els sistemes de connexió a terra d'IT, els díodes es poden utilitzar per construir circuits de control d'aïllament. Quan es produeix una fallada a terra en una fase determinada, el díode condueix per formar un corrent petit i el dispositiu de monitoratge localitza el punt d'error detectant aquest corrent. Al mateix temps, el díode limita l'amplitud del corrent de falla per evitar danys a l'equip.
4, Punts tècnics clau en la pràctica de l'enginyeria
(1) Selecció de díodes i concordança de paràmetres
En aplicacions de microxarxes, la selecció de díodes ha de tenir en compte els paràmetres següents:

Tensió nominal: ha de ser superior a la tensió màxima de funcionament del sistema i deixar un marge del 20% -50%. Per exemple, en un bus de 400 V CC, s'han de seleccionar díodes amb una tensió de resistència de 600 V o superior.
Corrent nominal: s'ha de seleccionar en funció del corrent de càrrega màxima i de la capacitat de sobrecàrrega. Per exemple, en un sistema fotovoltaic, el corrent nominal del díode hauria de ser més gran que el corrent de curt-circuit de la matriu fotovoltaica.
Temps de recuperació inversa: en aplicacions de commutació d'alta-freqüència (com la modulació PWM), díodes de recuperació ràpida amb un temps de recuperació inversa curt (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Resistència tèrmica i dissipació de calor: la temperatura de la unió del díode s'ha de controlar per sota dels 150 graus i s'ha de seleccionar el mètode de dissipació de calor adequat (com ara refrigeració natural, refrigeració per aire o refrigeració líquida) segons el consum d'energia.
(2) Optimització de la topologia del sistema
L'estructura topològica dels díodes a les microxarxes s'ha de dissenyar segons requisits específics. Per exemple:

Díode en sèrie: s'utilitza per millorar el nivell de tensió de resistència, però s'ha de prestar atenció a l'equalització de la tensió per evitar la ruptura per sobretensió d'un díode a causa d'una distribució desigual de tensió.
Díode paral·lel: s'utilitza per millorar la capacitat de transport de corrent, però s'ha de prestar atenció a la compartició de corrent per evitar el sobreescalfament i el dany d'un díode a causa d'una distribució desigual del corrent.
Topologia híbrida MOSFET/IGBT de díode: en escenaris on es requereix un flux d'energia bidireccional, es pot utilitzar una topologia híbrida de díode i MOSFET/IGBT. Per exemple, en els convertidors DC/DC bidireccionals, els díodes s'utilitzen per a la conducció unidireccional i els MOSFET per a la conducció inversa, aconseguint un control de flux bidireccional d'energia.
(3) Estratègia de control col·laboratiu
La gestió energètica dels díodes a les microxarxes s'ha de coordinar amb estratègies de control. Per exemple:

Algorisme de gestió d'energia basat en díodes: mitjançant el seguiment de la tensió del bus de CC i la potència de sortida de diverses fonts d'energia, ajustant dinàmicament l'estat de conducció dels díodes per aconseguir una assignació òptima d'energia.
Estratègia de protecció d'avaries: Dissenyar algorismes d'aïllament i detecció d'avaries ràpids i fiables basats en les característiques de conducció dels díodes. Per exemple, quan es detecta un corrent anormal en una branca determinada, el díode d'aquesta branca es talla immediatament per evitar que la falla es propagui.
5, Cas pràctic: Aplicació de díodes en microxarxes insulars
El projecte de microxarxa d'una illa determinada adopta una arquitectura de bus de corrent continu, que integra la fotovoltaica, l'emmagatzematge d'energia, els generadors dièsel i les càrregues. El pla de gestió energètica és el següent:

Sistema fotovoltaic: la matriu fotovoltaica subministra energia al bus de 48 V CC mitjançant díodes, que impedeixen que l'energia torni a fluir al panell fotovoltaic durant la nit o durant les avaries.
Sistema d'emmagatzematge d'energia: les bateries de liti es connecten al bus mitjançant un convertidor DC/DC bidireccional per aconseguir un control de càrrega i descàrrega d'energia.
Generador dièsel: com a font d'energia de reserva, es connecta a la barra colectora mitjançant díodes per evitar el retorn d'energia de la barra colectora quan s'apaga el generador.
Gestió de la càrrega: les càrregues de CC es connecten directament al bus, mentre que les càrregues de CA es connecten mitjançant un inversor. El terminal de sortida de l'inversor està equipat amb díodes per evitar que l'energia torni cap a l'inversor en cas d'avaria de la xarxa.
Aquest esquema aconsegueix un aïllament segur i un flux d'energia unidireccional entre els generadors fotovoltaics, d'emmagatzematge d'energia i dièsel mitjançant díodes, millorant l'eficiència del sistema fins al 92% i escurçant el temps de resposta a les fallades fins a 10 μ s.