Quines són les conseqüències del curtcircuit del díode o del circuit obert en el sistema energètic?

一, Reacció en cadena d'una falla de curtcircuit del díode
1. Mecanisme de curtcircuit i condicions d'activació
Un curtcircuit de díode sol ser causat per una ruptura de xips, esquerdes d'envasos o soldadura deficient. En ambients d'alta temperatura i humitat elevada, l'absorció d'humitat i l'expansió dels materials d'embalatge poden fer que la capa de metal·lització interna es trenqui; En escenaris de sobretensió, les unions PN poden conduir permanentment a causa d'una avaria d'allau. Per exemple, un projecte d'inversor fotovoltaic va experimentar un curtcircuit en 10 ms a causa de la sobretensió inversa del díode causada pels llamps.

2. Impacte a nivell del sistema
(1) Canvi en el camí de transmissió d'energia
Falla del circuit rectificador: en un circuit rectificador pont, si un díode es fa curtcircuit, provocarà conducció directa entre els costats CA i CC, provocant la saturació del transformador o de l'inductor. A causa d'un curtcircuit al díode rectificador d'un determinat projecte de sistema d'emmagatzematge d'energia, el corrent d'entrada va augmentar fins a tres vegades el valor nominal i el transformador es va cremar en 5 segons.
Curtcircuit al circuit de roda lliure: en els circuits d'accionament del motor o d'emmagatzematge d'energia inductiu, un curt{0}}circuit al díode de roda lliure pot danyar el camí de retroalimentació d'energia. Per exemple, en un projecte d'inversor de vehicle elèctric determinat, a causa d'un curtcircuit al díode de roda lliure, la força electromotriu posterior del motor es va aplicar directament al dispositiu d'alimentació, fent que el mòdul IGBT explotés en 100 μ s.
(2) Falla del mecanisme de protecció
Falla de protecció anti-reversa: en els sistemes de corrent continu, un curtcircuit al díode anti-revers pot causar danys directes a l'equip quan s'inverteix la polaritat de l'alimentació. El projecte SAI d'un determinat centre de dades va patir pèrdues de més de 500.000 iuans a causa d'un curt-circuit del díode anti-revers, que va provocar que el mòdul rectificador es cremés durant un mal funcionament del manteniment.
Bypass de protecció de sobretensió: el curtcircuit del díode TVS farà que perdi la seva funció de subjecció i la sobretensió es transmetrà directament al circuit posterior. A causa d'un curtcircuit d'un díode TVS en un determinat projecte de matriu fotovoltaica, la tensió de sortida dels components es va disparar fins a 1000 V (valorat de 600 V), provocant fallades de l'inversor a gran-escala.
(3) Risc de fuga tèrmica
Un curtcircuit provoca un canvi en la trajectòria del corrent, donant lloc a un augment significatiu de la densitat de corrent local. Una prova d'un projecte de convertidor d'energia eòlica va mostrar que després d'un curtcircuit de díode, la temperatura de la unió dels dispositius d'alimentació adjacents va augmentar de 85 graus a 200 graus en 2 segons, provocant una fuga tèrmica de la cadena.

2, Riscos sistèmics de fallades de circuit obert de díodes
1. Mecanisme de circuit obert i escenaris típics
El circuit obert sol ser causat per col·lapse de la soldadura, trencament d'encenalls o trencament del plom. En entorns de vibració (com els vehicles elèctrics), la fractura per fatiga del plom és una causa freqüent; En escenaris d'alta temperatura, el desajust entre el coeficient d'expansió tèrmica de l'envàs i el xip pot provocar esquerdes.

2. Impacte a nivell del sistema
(1) Interrupció de la transmissió d'energia
Pèrdua de sortida de rectificació: en un circuit de rectificació-trifàsic, si un díode està en circuit obert, provocarà un augment de la ondulació de la tensió de sortida. Un determinat projecte de subministrament d'alimentació industrial va provocar que la ondulació de la tensió de sortida augmentés del 5% al ​​30% a causa del circuit obert del díode, donant lloc a un mal funcionament de l'equip de càrrega.
Circuit de roda lliure desconnectat: en un circuit d'emmagatzematge d'energia inductiu, un díode de roda lliure obert pot provocar que l'energia de l'inductor no s'alliberi enlloc, donant lloc a pics d'alta tensió. Un determinat projecte de controlador de LED va experimentar un augment de la tensió de l'inductor fins a 800 V (nominal de 400 V) a causa d'un circuit obert al díode de roda lliure, que va provocar una ruptura del MOSFET.
(2) Pèrdua de funció de protecció
Falla de protecció contra sobreintensitat: en un grup de díodes paral·lels, si un dels díodes està obert, els díodes restants han de suportar un corrent més gran. Un determinat projecte de circuit d'equilibri de la bateria d'emmagatzematge d'energia va provocar una sobrecàrrega i esgotament d'altres díodes a causa d'un circuit obert d'un díode, donant lloc a una sobrecàrrega de la bateria.
Falla de la funció d'aïllament: a la protecció del nivell del mòdul fotovoltaic, un circuit obert al díode de bypass pot agreujar l'efecte del punt calent. A causa del circuit obert del díode de derivació en un determinat projecte de central fotovoltaica, la temperatura d'un determinat component va augmentar a 150 graus sota l'obstrucció de l'ombra, provocant el trencament del vidre.
(3) L'estabilitat del sistema disminueix
El circuit obert pot provocar canvis en la topologia del circuit, que pot provocar ressonància o oscil·lació. Un determinat projecte de mòduls de càrrega de vehicles elèctrics va experimentar un circuit obert de díode, fet que va provocar que el circuit ressonant LLC es desintonitzés i que la tensió de sortida fluctés més d'un ± 15%, provocant un apagat protector.

3, Conseqüències de les avaries en sistemes energètics típics
1. Sistema de generació d'energia fotovoltaica
Impacte a nivell de components: un circuit obert al díode de bypass pot fer que la temperatura del punt tèrmic del component superi el límit quan està parcialment obstruït, accelerant l'envelliment del material d'embalatge; El curtcircuit pot provocar una fallada d'arc lateral de CC. Segons les estadístiques d'una central fotovoltaica de 5 MW, les fallades dels díodes representen el 18% de les fallades dels components, la qual cosa provoca una pèrdua anual de més de 500.000 kWh de generació d'energia.
Impacte del nivell de l'inversor: el curtcircuit del díode rectificador pot provocar una tensió del bus de CC descontrolada, provocant l'explosió del mòdul IGBT; El circuit obert condueix a un corrent d'entrada intermitent, provocant sorolls i vibracions del transformador.
2. Sistema d'emmagatzematge d'energia
Impacte de l'equilibri de la bateria: un circuit obert al díode del circuit d'equilibri pot augmentar la inconsistència de la bateria i escurçar la vida del cicle; Un curtcircuit pot provocar una sobrecàrrega/sobredescàrrega. A causa d'una fallada en el díode d'equilibri d'un determinat projecte de central elèctrica d'emmagatzematge d'energia, la taxa de degradació de la capacitat de la bateria ha augmentat del 3%/any al 8%/any.
Impacte de la conversió DC/DC: el circuit obert del díode rectificador síncron pot provocar una disminució de l'eficiència de més del 10%; El curtcircuit pot provocar un sobreeiximent de la tensió de sortida.
3. Sistema de càrrega de vehicles elèctrics
Impacte del mòdul de càrrega: el curtcircuit del díode del circuit PFC pot provocar que la taxa de distorsió del corrent d'entrada superi l'estàndard, activant la protecció de la xarxa; Un circuit obert farà que el factor de potència caigui per sota de 0,7 i donarà lloc a una multa de la xarxa elèctrica.
Impacte del carregador del cotxe: el circuit obert del díode rectificador de sortida provocarà una interrupció de la càrrega; Un curtcircuit pot provocar sobretensió a la bateria. En un cert incident de retirada de vehicles, es van retirar més de 20.000 vehicles a causa del risc de curtcircuit del díode de sortida.
4, Diagnòstic de fallades i estratègia de protecció
1. Tecnologia de seguiment en línia
Monitorització de tensió/corrent: monitorització en temps real de la tensió i el corrent a través del díode mitjançant sensors Hall, activant una alarma si hi ha una fluctuació anormal superior al 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 graus), s'apagarà automàticament.
Anàlisi de l'espectre d'impedància: en injectar senyals d'alta-freqüència per detectar la resistència en sèrie equivalent dels díodes, la impedància s'acosta a l'infinit en circuit obert i zero en curtcircuit.
2. Disseny redundant
Redundància en paral·lel: es connecten diversos díodes en paral·lel en circuits crítics, i el sistema encara pot funcionar en cas d'una única fallada. Per exemple, un determinat inversor d'energia eòlica utilitza 4 díodes SiC paral·lels i l'eficiència del sistema només disminueix un 2% després d'un únic circuit obert.
Ruta de seguretat: instal·leu un interruptor mecànic en paral·lel amb un díode al circuit anti-revers i canvieu automàticament a la ruta de l'interruptor quan el díode falla.
3. Millores de materials i processos
Embalatge resistent a la humitat: s'utilitzen embalatges ceràmics o hermètics per verificar la fiabilitat mitjançant proves dobles de 85 (85 graus / 85% RH / 1000 h).
Soldadura de baixa tensió: utilitzeu soldadura sense plom-i cables elàstics per verificar la resistència a la fatiga mitjançant proves de vibració (com ara 5-2000 Hz/10 g).
5, Cas pràctic: Falla del díode en el convertidor d'energia eòlica marina
Un determinat projecte d'energia eòlica marina es troba en una zona propensa a tifons i el disseny original utilitzava díodes basats en silici-normals. Després de 2 anys de funcionament, es van trencar múltiples cables de díodes (circuit obert) a causa de la vibració, i 3 díodes es van fer curtcircuits a causa de la corrosió per polvorització de sal. Mal funcionament que provoca:

Interrupció de la transmissió d'energia: 12 inversors tancats, el que resulta en una pèrdua diària de més de 50 MWh de generació d'energia per inversor;
Danys a la cadena d'equips: explosió del mòdul IGBT causada per un curtcircuit, el cost de reparació supera els 2 milions de iuans;
Degradació de l'estabilitat del sistema: el circuit obert condueix a un corrent d'entrada intermitent i el soroll del transformador arriba als 85 dB (disseny<65dB).
El pla de millora inclou:

Actualització del dispositiu: substituir per díodes SiC i embalatge de ceràmica;
Reforç estructural: utilitzant suports de reducció de vibracions i tres recobriments de prova;
Actualització del monitoratge: implementeu sensors de vibració i temperatura infrarojos.
Després de la millora, el sistema ha estat funcionant contínuament durant 3 anys sense cap fallada de díodes, amb un augment anual de la generació d'energia del 12% i una reducció dels costos de manteniment del 70%.