چگونه از دیودها در تجهیزات انرژی با دمای بالا و رطوبت بالا محافظت کنیم؟

一، انتخاب مواد: مناسب برای دستگاه هایی که در برابر رطوبت، گرما و دماهای بالا مقاوم هستند.
1. بهینه سازی مواد بسته بندی
در محیط‌های با دمای بالا و رطوبت بالا، بسته‌بندی سنتی رزین اپوکسی به دلیل نفوذ بخار آب، مستعد لایه‌برداری یا اثر ذرت بوداده است. دیودهای درجه صنعتی در سیلیکون یا سرامیک بسته بندی می شوند که می تواند مقاومت آنها در برابر رطوبت و گرما را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. به عنوان مثال، یک پروژه اینورتر فتوولتائیک خاص، دیودهای شاتکی کپسوله شده سرامیکی را انتخاب کرد. پس از کار مداوم به مدت 1000 ساعت در تست دوبار 85 (85 درجه / 85% RH)، هیچ پدیده لایه‌برداری در داخل بسته وجود نداشت، در حالی که دستگاه‌های محصور شده با رزین اپوکسی معمولی پس از 500 ساعت منفجر شدند.

2. ارتقاء فرآیند تراشه
برای محیط‌های با دمای{0}بالا، تراشه‌هایی با ویژگی‌های جریان نشتی کم باید انتخاب شوند. به عنوان مثال، استفاده از دیودهای کاربید سیلیکون (SiC) می تواند جریان نشتی معکوس را در دماهای بالا به میزان قابل توجهی کاهش دهد. آزمایش مقایسه‌ای یک پروژه مبدل نیروی بادی دریایی نشان می‌دهد که در دمای تقاطع 125 درجه، جریان نشتی معکوس دیودهای SiC 80٪ در مقایسه با دیودهای{5} مبتنی بر سیلیکون کاهش می‌یابد و راندمان سیستم تا 2.3٪ بهبود می‌یابد.

3. اصول درجه بندی طراحی
در سناریوهای دمای بالا، دیودها باید بر اساس دمای واقعی کارکردشان درجه بندی شوند. به عنوان مثال، اگر ولتاژ معکوس نامی دستگاه 60 ولت است، توصیه می شود سطح ولتاژ مقاومتی 100 ولت یا بالاتر را در 85 درجه انتخاب کنید تا حاشیه ایمنی ذخیره شود. یک پروژه سیستم ذخیره انرژی خاص با افزایش سطح ولتاژ مقاومت دیود از 60 ولت به 100 ولت، میزان خرابی دستگاه را از 5٪ به 0.3٪ کاهش داد.

2، طراحی سازه: مدیریت حرارتی و حفاظت از جداسازی
1. ساختار اتلاف حرارت را تقویت کنید
گسترش فویل مس: در طرح مدار چاپی، افزایش سطح فویل مسی باعث افزایش رسانایی گرما می شود. یک پروژه کنترل‌کننده فتوولتائیک خاص، ناحیه فویل مسی زیر دیود را از 10 میلی‌متر مربع به 50 میلی‌متر مربع گسترش داد و دمای محل اتصال را 15 درجه کاهش داد.
هیت سینک یکپارچه: پکیج های با راندمان اتلاف حرارت بالا مانند DFN و TO-220 همراه با هیت سینک استفاده می شوند. به عنوان مثال، یک پروژه UPS صنعتی خاص از دیودهای بسته بندی شده TO-220 استفاده می کند و سینک های حرارتی آلومینیومی را برای کنترل دمای محل اتصال در 120 درجه در طول عملیات بار کامل نصب می کند.
کاربرد پد حرارتی: پر کردن گریس حرارتی یا پد حرارتی بین دیود و هیت سینک می تواند مقاومت حرارتی تماسی را کاهش دهد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که استفاده از یک پد حرارتی سیلیکونی با ضخامت 0.5 میلی‌متر می‌تواند مقاومت حرارتی را از 2 درجه / W به 0.8 درجه / W کاهش دهد.
2. طراحی عایق الکتریکی
اتصال موازی مقاومت های اشتراک جریان: هنگامی که چندین دیود به صورت موازی متصل می شوند، یک مقاومت اشتراکی جریان با مقاومت پایین (مانند 0.1 Ω) باید به صورت سری به هر دیود متصل شود تا از توزیع ناهموار جریان به دلیل تفاوت در افت ولتاژ رو به جلو جلوگیری شود. یک پروژه مدار متعادل کننده باتری ذخیره انرژی، انحراف جریان دیودهای موازی را از 30٪ به 5٪ از طریق این طرح کاهش داده است.
دیود محافظ معکوس: اتصال دیودهای معکوس به صورت موازی در دو سر دیود اصلی می تواند از خراب شدن دیود اصلی در زمانی که ولتاژ معکوس بیش از حد بالا باشد جلوگیری کند. به عنوان مثال، یک پروژه ماژول شارژ خودروی الکتریکی خاص از این طرح استفاده می کند که زمان پاسخگویی حفاظت از اضافه ولتاژ معکوس را به 10 ثانیه کاهش می دهد.
3، کنترل محیطی: جداسازی میکرو محیط و بهینه سازی تهویه
1. افزایش سطح حفاظت
استاندارد حفاظت IP: تجهیزاتی را با درجه بندی IP65 (ضد گرد و غبار و آب) یا IP67 (ضد آب) بر اساس رطوبت محیط انتخاب کنید. یک پروژه پلت فرم حفاری دریایی خاص از ماژول های دیود محافظ IP67 استفاده می کند که پس از عملیات مداوم در محیط نمک پاش به مدت 3 سال، خوردگی را تجربه نکرده اند.
یکپارچه سازی کابینت کنترل: ماژول دیود را در یک کابین کنترل مهر و موم شده قرار دهید و تهویه مطبوع یا مبدل های حرارتی را برای تنظیم دما و رطوبت نصب کنید. به عنوان مثال، یک پروژه UPS در یک مرکز داده از یک کابینت کنترل استفاده می کند تا دمای داخلی را زیر 40 درجه و رطوبت را در 50٪ RH نگه دارد، در نتیجه طول عمر دیودها را تا 40٪ افزایش می دهد.
2. بهینه سازی سیستم تهویه
طراحی خنک کننده هوای اجباری: در کاربردهای انرژی بر، از فن ها برای تهویه اجباری استفاده می شود. یک پروژه اینورتر فتوولتائیک خاص، طراحی مجرای هوا را برای افزایش سرعت جریان هوا در اطراف دیود به 3 متر بر ثانیه و کاهش دمای اتصال تا 20 درجه بهینه کرد.
بهبود همرفت طبیعی: در سناریوهای کم توان{0}، افزایش فاصله یا زاویه شیب پره های سینک حرارتی می تواند کارایی همرفت طبیعی را بهبود بخشد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که افزایش فاصله بین پره‌ها از 2 میلی‌متر به 5 میلی‌متر، راندمان اتلاف گرما را تا 15 درصد بهبود می‌بخشد.
4، نظارت و حفاظت: بازخورد زمان واقعی و مداخله فعال
1. سیستم مانیتورینگ دما
ادغام ترمیستور: ترمیستور NTC را در نزدیکی دیود نصب کنید تا دمای محل اتصال را در زمان واقعی- نظارت کنید. یک پروژه سیستم مدیریت باتری ذخیره انرژی خاص، از طریق این طرح، به طور خودکار حفاظت محدود کننده جریان را هنگامی که دمای محل اتصال از 125 درجه فراتر می‌رود، برای جلوگیری از فرار حرارتی ایجاد می‌کند.
فناوری اندازه گیری دمای مادون قرمز: با استفاده از حسگرهای مادون قرمز برای نظارت بر دمای سطح دیودها بدون تماس-. به عنوان مثال، یک پروژه اینورتر برق بادی از طریق اندازه گیری دمای مادون قرمز به کنترل دقیق خطای دمای اتصال ± 2 درجه دست می یابد.
2. مکانیسم حفاظت از اضافه بار
سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVS): یک دیود TVS به صورت موازی در ورودی دیود برای سرکوب صاعقه یا اضافه ولتاژ سوئیچ متصل می شود. یک پروژه آرایه فتوولتائیک خاصی قابلیت تحمل اضافه ولتاژ خود را از 1 کیلو ولت به 6 کیلو ولت از طریق این طراحی بهبود بخشیده است.
الگوریتم محدود کننده جریان نرم افزار: در سیستم های کنترل دیجیتال، جریان دیود به صورت دینامیکی از طریق الگوریتم ها تنظیم می شود. به عنوان مثال، یک پروژه ایستگاه شارژ خودروی الکتریکی خاص، کنترل محدود کننده جریان PID را برای کاهش زمان پاسخ اضافه بار به 50 میلی ثانیه اتخاذ می کند.
5، مطالعه موردی: عمل حفاظت از مبدل های نیروی بادی دریایی
یک پروژه انرژی بادی دریایی خاص در آبهای نیمه گرمسیری با دمای محیط 45 درجه و رطوبت 90٪ RH واقع شده است. طرح اصلی از دیودهای{3}} مبتنی بر سیلیکون معمولی استفاده می‌کرد و میزان شکست پس از یک سال کار به 12% می‌رسید. طرح بهبود شامل:

ارتقاء دستگاه: جایگزینی با دیود SiC، سطح مقاومت دما به 175 درجه افزایش یافت.
افزایش اتلاف گرما: با استفاده از بسته بندی DFN و نصب سینک های حرارتی مسی، دمای محل اتصال از 150 درجه به 110 درجه کاهش می یابد.
جداسازی محیطی: ماژول دیود را در یک کابینت کنترل محافظت شده IP67 قرار دهید و یک دستگاه رطوبت گیر نصب کنید.
نظارت و حفاظت: ترمیستور و دیود TVS یکپارچه برای دستیابی به حفاظت دوگانه دما و ولتاژ.
پس از بهبود، سیستم به مدت 3 سال بدون هیچ گونه خرابی دیود، با افزایش 8 درصدی تولید برق سالانه و کاهش 60 درصدی هزینه های تعمیر و نگهداری، به طور مداوم کار می کند.