Jaki wpływ ma awaria diody na falownik?

一, Rodzaje i mechanizmy fizyczne uszkodzenia diody
Uszkodzenie diody można podzielić na dwa rodzaje: przebicie elektryczne i przebicie termiczne, a ich mechanizmy fizyczne są ściśle powiązane z właściwościami materiału, stężeniem domieszki, temperaturą i innymi czynnikami.

1. Przebicie elektryczne: odwracalny proces fizyczny
Awaria elektryczna obejmuje dwa mechanizmy: awarię Zenera i awarię lawinową

Przebicie Zenera: występuje w silnie domieszkowanych złączach PN (takich jak regulatory napięcia), gdzie szerokość warstwy zubożonej jest wyjątkowo wąska (<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 µm). Napięcie wsteczne przyspiesza nośniki mniejszościowe, powodując ich zderzenie z siatką i wygenerowanie nowych nośników, tworząc lawinową reakcję łańcuchową. Napięcie przebicia lawinowego jest na ogół wyższe niż 6 V i ma dodatni współczynnik temperaturowy (napięcie przebicia rośnie wraz z temperaturą).
Przebicie elektryczne jest zasadniczo odwracalnym procesem fizycznym.

2. Przebicie termiczne: nieodwracalna, katastrofalna awaria
Kiedy prąd wsteczny nadal rośnie po awarii elektrycznej lub gdy w obwodzie podejmowane są pomiary nieskończonego prądu, pobór mocy złącza PN przekracza wartość graniczną, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury złącza. W tym momencie elektrony walencyjne w wiązaniu kowalencyjnym uzyskują wystarczającą energię, aby uwolnić się od ograniczeń atomowych, tworząc dużą liczbę wolnych par dziur elektronowych, co jeszcze bardziej zaostrza wzrost prądu i tworzy pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego. Ostatecznie złącze PN topi się w wyniku przegrzania, tworząc trwałe zwarcie, zwane przebiciem termicznym. Przebicie termiczne jest nieodwracalne, a dioda całkowicie straci swoją funkcję.

2, Bezpośrednie uszkodzenie diody w falownikach
Diody w falownikach służą głównie do prostowania, luzu i zaciskania, a ich awaria może powodować propagację zwarcia różnymi drogami.

1. Awaria diody prostowniczej: zwarcie zasilania i eksplozja kondensatora
W falownikach fotowoltaicznych lub przemysłowych źródłach prądu mostek prostowniczy składa się z 6 diod (3 wspólna katoda i 3 wspólna anoda). Jeśli pojedyncza dioda ulegnie rozkładowi termicznemu, powodując zwarcie, spowoduje to bezpośrednie przewodzenie dodatnich i ujemnych biegunów szyny prądu stałego, co doprowadzi do zwarcia zasilania. W tym momencie kondensator filtrujący szybko się nagrzewa z powodu przetężenia, powodując odparowanie i rozszerzenie elektrolitu, co może prowadzić do eksplozji. Na przykład w pewnej elektrowni fotowoltaicznej awaria diody prostowniczej spowodowała eksplozję kondensatora po stronie prądu stałego, co spowodowało złomowanie całego modułu inwertera i bezpośrednie straty ekonomiczne w wysokości ponad 100 000 juanów.
2. Awaria diody zaciskowej: Brak kontroli nad napięciem magistrali
W falownikach wielo-poziomowych diody zaciskowe służą do ograniczania wahań napięcia szyny DC. Jeśli dioda zaciskająca ulegnie uszkodzeniu, napięcie szyny może przekroczyć zakres napięcia wytrzymywanego IGBT, powodując uszkodzenie łańcucha. Na przykład w przetwornicy częstotliwości średniego napięcia doszło do awarii diody zaciskowej, co spowodowało wzrost napięcia szyny DC z 600 V do 900 V, co spowodowało uszkodzenie wszystkich 12 modułów IGBT i czas wyłączenia systemu do 72 godzin.

3, Skutki awarii diody na poziomie systemu
1. Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i zniekształcenia sygnału
Kiedy dioda ulegnie uszkodzeniu, szybka zmiana-prądu zwarciowego spowoduje wygenerowanie-zakłóceń elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości, które są przekazywane do obwodu sterującego poprzez pojemność pasożytniczą i powodują zniekształcenie sygnału sterującego IGBT. W przypadku konwertera energii wiatrowej zakłócenia EMI spowodowane awarią diody jednokierunkowej spowodowały utratę impulsu sygnału sterującego IGBT o 10 μs, powodując wahania momentu obrotowego silnika powyżej 20% i wyzwalając mechaniczny alarm wibracyjny.
2. Nieprawidłowe działanie obwodu zabezpieczającego i paraliż systemu
Nowoczesne falowniki są zwykle wyposażone w funkcje zabezpieczające przed przetężeniem, przepięciem i przegrzaniem. Jednak awaria diody może prowadzić do błędnej oceny obwodu zabezpieczającego:
Nieprawidłowe działanie zabezpieczenia nadprądowego: Prąd zwarciowy można pomylić z nagłą zmianą obciążenia, uruchamiając zabezpieczenie ograniczające prąd i powodując obniżenie wartości znamionowych systemu;
Awaria zabezpieczenia przepięciowego: W przypadku przebicia diody zaciskowej następuje awaria punktu monitorowania napięcia magistrali i nie można aktywować zabezpieczenia przepięciowego;
Opóźnienie zabezpieczenia przed przegrzaniem: Temperatura w miejscu przebicia diody może być wyższa od temperatury w punkcie monitorowania czujnika, co powoduje opóźnienie w zadziałaniu zabezpieczenia przed przegrzaniem.
W przypadku falownika trakcyjnego w pewnym ruchu kolejowym awaria diody prostowniczej spowodowała nieprawidłowe działanie zabezpieczenia nadprądowego, co skutkowało częstą pracą układu obniżającą wartości znamionowe. Ostatecznie z powodu nagromadzenia się ciepła moduł IGBT eksplodował, a pociąg został zatrzymany na 12 godzin.
4, Strategia ochrony i projektowanie niezawodności
1. Projekt obwodu: redundancja i ograniczenie prądu
Konstrukcja redundantna: W mostku prostowniczym przyjęto konfigurację redundantną „N+1”, co oznacza, że ​​dodatkowe diody są połączone równolegle. W przypadku awarii pojedynczej diody system może nadal działać przy zmniejszonej wydajności;
Rezystor ograniczający prąd: podłącz szeregowo rezystory o małej rezystancji (np. 0,1 Ω/5 W) do diody, aby ograniczyć szczytowy-prąd zwarciowy;
Obwód buforowy RC: Dodaj obwód buforowy RC (taki jak C=0.1 μF, R=10 Ω) do obwodu równoległego diody IGBT, aby pochłonąć przepięcie wyłączające i zmniejszyć naprężenie wsteczne diody.
2. Monitorowanie systemu:-diagnostyka w czasie rzeczywistym i konserwacja zapobiegawcza
Wykrywanie obrazu termowizyjnego w podczerwieni: monitorowanie w czasie rzeczywistym temperatury powłoki diody za pomocą kamery termowizyjnej na podczerwień, wyzwalanie alarmu, gdy temperatura przekroczy wartość znamionową 15 stopni;
Monitorowanie parametrów elektrycznych: Monitorowanie prądu diody w czasie rzeczywistym za pomocą czujników prądowych (takich jak czujniki Halla) i zabezpieczenie jest aktywowane, gdy prąd przekroczy 1,2-krotność wartości znamionowej;
Przewidywanie usterek AI: trenuj modele uczenia maszynowego w oparciu o dane historyczne, aby przewidywać pozostały czas życia (RUL) diod i wymieniać z wyprzedzeniem komponenty-wysokiego ryzyka.