Quin és l'impacte de la ruptura del díode en l'inversor?

一, Tipus i mecanismes físics de ruptura dels díodes
La ruptura del díode es pot dividir en dos tipus: avaria elèctrica i ruptura tèrmica, i els seus mecanismes físics estan estretament relacionats amb les propietats del material, la concentració de dopatge, la temperatura i altres factors.

1. Avaria elèctrica: un procés físic reversible
L'avaria elèctrica inclou dos mecanismes: avaria Zener i avaria d'allau

Avaria Zener: es produeix en unions PN altament dopades (com ara reguladors de tensió), on l'amplada de la capa d'esgotament és extremadament estreta (<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). La tensió inversa accelera els portadors minoritaris, fent-los xocar amb la xarxa i generar nous portadors, formant una reacció en cadena d'allaus. La tensió de ruptura d'allau és generalment superior a 6V i té un coeficient de temperatura positiu (la tensió de ruptura augmenta amb la temperatura).
L'avaria elèctrica és essencialment un procés físic reversible.

2. Avaria tèrmica: avaria catastròfica irreversible
Quan el corrent invers continua augmentant després d'una avaria elèctrica, o quan es prenen mesures de corrent infinites al circuit, el consum d'energia de la unió PN supera el valor límit, donant lloc a un fort augment de la temperatura de la unió. En aquest punt, els electrons de valència de l'enllaç covalent guanyen energia suficient per alliberar-se de les restriccions atòmiques, formant un gran nombre de parells de forats d'electrons lliures, agreujant encara més el creixement actual i formant un bucle de retroalimentació positiva. Finalment, la unió PN es fon a causa del sobreescalfament, formant un curtcircuit permanent, conegut com a ruptura tèrmica. La ruptura tèrmica és irreversible i el díode perdrà completament la seva funció.

2, dany directe de la ruptura del díode als inversors
Els díodes dels inversors s'utilitzen principalment per a la rectificació, la roda lliure i la fixació, i la seva ruptura pot provocar la propagació de fallades en diferents camins.

1. Avaria del díode rectificador: curtcircuit de potència i explosió del condensador
En inversors fotovoltaics o fonts d'alimentació industrials, el pont rectificador consta de 6 díodes (3 càtode comú i 3 ànode comú). Si un únic díode es trenca tèrmicament per formar un curtcircuit, farà que els pols positius i negatius del bus de CC es condueixin directament, provocant un curtcircuit de potència. En aquest punt, el condensador de filtrat s'escalfa ràpidament a causa de la sobreintensitat, fent que l'electròlit es vaporitzi i s'expandeixi, cosa que pot provocar una explosió. Per exemple, en una determinada central fotovoltaica, l'avaria del díode rectificador va provocar l'explosió del condensador lateral de CC, cosa que va provocar el desballestament de tot el mòdul inversor i una pèrdua econòmica directa de més de 100.000 iuans.
2. Avaria del díode de pinça: tensió del bus fora de control
En inversors multi-nivell, els díodes de pinça s'utilitzen per limitar les fluctuacions de la tensió del bus de CC. Si el díode de subjecció es trenca, la tensió del bus pot superar el rang de tensió de suport IGBT, provocant una ruptura de la cadena. Per exemple, un convertidor de freqüència de mitjana tensió va experimentar una avaria del díode de pinça, provocant que la tensió del bus de CC augmenti de 600 V a 900 V, provocant danys als 12 mòduls IGBT i un temps d'aturada del sistema de fins a 72 hores.

3, efectes a nivell del sistema de la ruptura del díode
1. Interferència electromagnètica (EMI) i distorsió del senyal
Quan un díode s'avaria, el canvi ràpid del corrent de curt-circuit generarà una interferència electromagnètica d'alta-freqüència, que s'acobla al circuit de control mitjançant una capacitat parasitària i provoca una distorsió del senyal de la unitat IGBT. En un cas de convertidor d'energia eòlica, la interferència EMI causada per la ruptura del díode de roda lliure va provocar una pèrdua de pols de 10 μ s del senyal d'accionament IGBT, provocant que el parell del motor fluctués més enllà del 20% i desencadenant una alarma de vibració mecànica.
2. Mal funcionament del circuit de protecció i paràlisi del sistema
Els inversors moderns solen estar equipats amb funcions de protecció contra sobreintensitat, sobretensió i sobretemperatura. No obstant això, l'avaria del díode pot conduir a un mal judici del circuit de protecció:
Funcionament incorrecte de la protecció contra sobreintensitat: el corrent de curtcircuit es pot confondre amb un canvi sobtat de càrrega, activant la protecció limitant el corrent i provocant l'operació de reducció del sistema;
Falla de protecció de sobretensió: si el díode de pinça es trenca, el punt de control de la tensió del bus falla i la protecció de sobretensió no es pot activar;
Retard de protecció contra sobretemperatura: la temperatura al punt de ruptura del díode pot ser superior a la temperatura al punt de control del sensor, provocant un retard en l'activació de la protecció contra sobretemperatura.
En un cas d'inversor de tracció en un trànsit ferroviari determinat, l'avaria del díode rectificador va provocar un mal funcionament de la protecció contra sobreintensitat, la qual cosa va provocar una disminució freqüent del funcionament del sistema. Finalment, a causa de l'acumulació de calor, el mòdul IGBT va explotar i el tren va estar aturat durant 12 hores.
4, Estratègia de protecció i disseny de fiabilitat
1. Disseny del circuit: redundància i limitació de corrent
Disseny redundant: al pont rectificador, s'adopta una configuració redundant "N+1", el que significa que es connecten díodes addicionals en paral·lel. Quan un únic díode es trenca, el sistema encara pot funcionar a capacitat reduïda;
Resistència limitadora de corrent: connecteu resistències petites (com ara 0,1 Ω/5W) en sèrie a través del díode per limitar el pic de corrent de curt-circuit;
Circuit de memòria intermèdia RC: afegiu un circuit de memòria intermèdia RC (com ara C=0.1 μ F, R=10 Ω) al circuit paral·lel del díode IGBT per absorbir la sobretensió d'apagada i reduir la tensió inversa del díode.
2. Supervisió del sistema:-diagnòstic en temps real i manteniment predictiu
Detecció d'imatge tèrmica d'infrarojos: control en temps real de la temperatura de la carcassa del díode mitjançant una càmera d'imatge tèrmica d'infrarojos, activant una alarma quan la temperatura supera el valor nominal de 15 graus;
Monitorització de paràmetres elèctrics: monitorització en temps real del corrent del díode mitjançant sensors de corrent (com sensors Hall) i la protecció s'activa quan el corrent supera 1,2 vegades el valor nominal;
Predicció d'errors de l'IA: entreneu models d'aprenentatge automàtic basats en dades històriques per predir la vida restant (RUL) dels díodes i substituir els components d'alt-risc per endavant.