La fallada del díode provocarà una disminució de l'eficiència del sistema d'emmagatzematge d'energia?

一, Mode de fallada del díode i mecanisme de pèrdua d'eficiència
1. Deteriorament de les característiques de recuperació inversa
En escenaris de commutació d'alta-freqüència, com ara el díode de roda lliure antiparal·lel dels mòduls IGBT en els convertidors d'emmagatzematge d'energia PCS, el temps de recuperació inversa (Trr) i la càrrega de recuperació (Qrr) del díode són els paràmetres bàsics que determinen l'eficiència. Quan Trr és massa llarg o Qrr és massa gran, el díode formarà un "corrent de cua" important durant el procés d'apagada, provocant els problemes següents:

Augment sobtat de les pèrdues de commutació: per cada augment de 10ns de Trr, les pèrdues de commutació poden augmentar entre un 5% i un 8%. Per exemple, en un determinat inversor fotovoltaic, després que Trr es va deteriorar de 35ns a 80ns, l'eficiència del sistema va disminuir un 3,7% i l'augment de la temperatura del MOSFET va augmentar en 15 graus.
Pics de tensió i interferències EMI: Qrr anormal pot provocar pics inversos en la tensió del bus (com ara un augment sobtat de 1000V a 1200V), que suposa un risc de trencament de l'aïllament i augmenta el cost del filtratge d'interferències electromagnètiques (EMI).
2. Embalatge tèrmic i deriva de paràmetres
Quan la temperatura de la unió (Tj) del díode supera el valor nominal (com ara 150 graus), s'activarà el següent cicle viciós:

Augment de corrent de fuga: a altes temperatures, el corrent de fuga inversa (IR) pot augmentar de 10 μ A a 100 μ A, donant lloc a un augment de deu vegades en el consum d'energia estàtica.
Degradació dels paràmetres: la caiguda de tensió directa (VF) augmenta amb la temperatura (com ara de 0,8 V a 1,2 V), reduint directament l'eficiència de conducció. Un estudi de cas d'un sistema d'emmagatzematge d'energia de la bateria de flux de vanadi mostra que quan la temperatura de l'electròlit augmenta de 25 graus a 45 graus, el díode VF augmenta en 0,3 V i l'eficiència de càrrega i descàrrega del sistema disminueix un 2,1%.
3. Falla d'embalatge i fallada de contacte
Els defectes de l'embalatge (com l'oxidació del pin TO-220, l'absorció d'humitat dels envasos de plàstic) poden causar:

Augment de la resistència tèrmica: un mal contacte fa que la resistència tèrmica (R θ JA) augmenti de 2 graus /W a 5 graus /W, accelerant la fugida tèrmica.
Danys per tensió mecànica: el risc de trencament del pin augmenta en l'entorn de vibracions. En el cas d'un convertidor d'energia eòlica, el 10% dels pins del díode tenien microesquerdes a causa de la vibració del transport i la taxa de fallada va augmentar després de 3 mesos de funcionament.
2, Anàlisi de la pèrdua d'eficiència en escenaris típics
1. Error del díode al convertidor d'emmagatzematge d'energia (PCS)
En els convertidors DC-DC bidireccionals, una fallada en el díode de roda lliure antiparal·lel pot provocar:

Corrent intermitent: quan hi ha una fallada de circuit obert, el corrent de l'inductor no pot continuar fluint, la tensió del condensador del mòdul (Uac) continua disminuint i la potència de sortida del sistema cau entre un 30% i un 50%.
Connexió directa del braç del pont: en cas d'error de curtcircuit, l'IGBT es crema a causa de la sobreintensitat. En el cas d'una central elèctrica d'emmagatzematge d'energia, un curtcircuit d'un sol díode va provocar que els costos de manteniment de PCS superessin els 500.000 iuans.
2. Mal funcionament del díode al sistema de gestió de la bateria (BMS)
Al circuit d'equilibri, els díodes s'utilitzen per evitar la sobrecàrrega de la bateria i els seus errors poden provocar:

Falla d'equilibri: una fallada de circuit obert va provocar un desequilibri en la tensió d'una sola bateria. En el cas d'un sistema d'emmagatzematge d'energia de bateries de liti, a causa d'un circuit obert al díode, una determinada bateria es va sobrecarregar a 4,5 V (calificada 4,2 V), donant lloc a una fuga tèrmica.
Fuga inversa: les avaries de curtcircuit provoquen un augment de la taxa de descàrrega automàtica del paquet de bateries, donant lloc a un augment del 20% al 30% de les pèrdues en espera del sistema.
3. Falla del díode a la font d'alimentació auxiliar
A la font d'alimentació auxiliar de CC/CC, els díodes s'utilitzen per subministrar energia als circuits de control i els seus errors poden provocar:

Inestabilitat del control: una fallada de circuit obert pot fer que la placa de control BMS o PCS perdi energia, augmentant el risc d'apagada del sistema. En un estudi de cas d'una central d'emmagatzematge d'energia, a causa d'un circuit obert en el díode de potència auxiliar, tot el sistema PCS es va tancar simultàniament, donant lloc a una fallada en la regulació de la freqüència de la xarxa.
Salt d'eficiència: una fallada de curtcircuit va provocar que l'eficiència de la font d'alimentació auxiliar disminuís del 90% al 70%, donant lloc a un augment de l'autoconsum del sistema dues- vegades.
3, Estratègia d'optimització de l'eficiència i pràctica tècnica
1. Seguiment dinàmic i gestió de la salut
Supervisió de paràmetres en línia: captureu VF, IR, Trr i altres paràmetres mitjançant un oscil·loscopi i configureu alarmes de llindar (com ara activar una alarma quan la VF augmenta un 10%).
Termografia infraroja: vigileu regularment la temperatura d'unió dels díodes per assegurar que Tj és inferior o igual a 125 graus (per a dispositius de silici) o Tj inferior o igual a 175 graus (per a dispositius de SiC).
Manteniment basat en dades: establiu una base de dades d'errors i prediu la vida restant (RUL) mitjançant l'aprenentatge automàtic. En un estudi de cas d'una central d'emmagatzematge d'energia, aquesta estratègia va reduir el temps d'inactivitat no planificat en un 40%.
2. Disseny d'optimització a nivell de sistema
Millora de la topologia: l'adopció de la tecnologia de rectificació síncrona en lloc dels díodes tradicionals pot augmentar l'eficiència en un 2% -3%. Per exemple, en un cas d'alimentació de comunicació de 48 V, la rectificació síncrona va augmentar l'eficiència del 92% al 95%.
Col·laboració de gestió tèrmica: combinació d'un sistema de refrigeració líquida amb un disseny de díodes optimitzat. En un estudi de cas d'una central elèctrica d'emmagatzematge d'energia a nivell de megawatts, aquesta solució va reduir l'augment de la temperatura de PCS en 10 graus i va augmentar l'eficiència en un 0,8%.
Disseny de redundància: el circuit clau adopta díodes paral·lels. En un estudi de cas d'un sistema d'emmagatzematge d'energia en una central nuclear, el disseny de redundància va aconseguir una disponibilitat del sistema del 99,999%.