عواقب اتصال کوتاه یا مدار باز دیود بر روی سیستم انرژی چیست؟

一، واکنش زنجیره ای خطای اتصال کوتاه دیود
1. مکانیسم اتصال کوتاه و شرایط تحریک
اتصال کوتاه دیود معمولاً به دلیل خرابی تراشه، ترک خوردگی بسته بندی یا لحیم کاری ضعیف ایجاد می شود. در محیط های با دمای بالا و رطوبت بالا، جذب رطوبت و انبساط مواد بسته بندی ممکن است باعث شکستن لایه فلزی داخلی شود. در سناریوهای اضافه ولتاژ، اتصالات PN ممکن است به دلیل خرابی بهمن به طور دائمی هدایت شوند. به عنوان مثال، یک پروژه اینورتر فتوولتائیک به دلیل اضافه ولتاژ معکوس دیود ناشی از برخورد رعد و برق، یک اتصال کوتاه در عرض 10 میلی ثانیه را تجربه کرد.

2. تاثیر سطح سیستم
(1) تغییر در مسیر انتقال انرژی
خرابی مدار یکسو کننده: در مدار یکسو کننده پل، اگر یک دیود اتصال کوتاه داشته باشد، باعث هدایت مستقیم بین دو طرف AC و DC می شود که منجر به اشباع ترانسفورماتور یا سلف می شود. به دلیل اتصال کوتاه در دیود یکسو کننده یک پروژه سیستم ذخیره انرژی خاص، جریان ورودی به سه برابر مقدار نامی افزایش یافت و ترانسفورماتور در عرض 5 ثانیه سوخت.
اتصال کوتاه در مدار چرخ آزاد: در محرک موتور یا مدارهای ذخیره انرژی القایی، یک اتصال کوتاه-در دیود چرخ آزاد می‌تواند به مسیر بازخورد انرژی آسیب برساند. به عنوان مثال، در یک پروژه معکوس کننده خودروی الکتریکی خاص، به دلیل یک اتصال کوتاه در دیود چرخ آزاد، نیروی الکتروموتور عقب موتور مستقیماً به دستگاه قدرت اعمال شد و باعث شد که ماژول IGBT در عرض 100 میکرو ثانیه منفجر شود.
(2) شکست مکانیسم حفاظت
خرابی ضد حفاظت معکوس: در سیستم های DC، اتصال کوتاه در دیود ضد معکوس می تواند باعث آسیب مستقیم به تجهیزات در صورت معکوس شدن قطبیت برق شود. پروژه UPS در یک مرکز داده خاص به دلیل اتصال کوتاه-دیود معکوس ضد معکوس، بیش از 500000 یوان متحمل ضرر شد که باعث شد ماژول یکسو کننده در حین کارکرد نادرست تعمیر و نگهداری بسوزد.
بای پس حفاظت از اضافه ولتاژ: اتصال کوتاه دیود TVS باعث می شود که عملکرد گیره خود را از دست بدهد و اضافه ولتاژ مستقیماً به مدار بعدی منتقل می شود. به دلیل اتصال کوتاه دیود TVS در یک پروژه آرایه فتوولتائیک خاص، ولتاژ خروجی قطعات به 1000 ولت (نام 600 ولت) افزایش یافت و باعث خرابی اینورتر در مقیاس بزرگ- شد.
(3) خطر فرار حرارتی
اتصال کوتاه باعث تغییر در مسیر جریان و در نتیجه افزایش قابل توجهی در چگالی جریان محلی می شود. آزمایش یک پروژه مبدل برق بادی نشان داد که پس از اتصال کوتاه دیود، دمای اتصال دستگاه های برق مجاور از 85 درجه به 200 درجه در عرض 2 ثانیه افزایش یافت و باعث فرار حرارتی زنجیره شد.

2، خطرات سیستمیک خطاهای مدار باز دیود
1. مکانیسم مدار باز و سناریوهای معمولی
مدار باز معمولاً در اثر فروپاشی جوش، شکستن تراشه یا شکستگی سرب ایجاد می شود. در محیط های ارتعاشی (مانند وسایل نقلیه الکتریکی)، شکستگی ناشی از خستگی سرب یک علت شایع است. در سناریوهای دمای بالا، عدم تطابق بین ضریب انبساط حرارتی بسته بندی و تراشه ممکن است منجر به ترک خوردن شود.

2. تاثیر سطح سیستم
(1) وقفه انتقال انرژی
از دست دادن خروجی یکسوسازی: در مدار یکسوسازی سه فاز، اگر یک دیود مدار باز باشد، باعث افزایش موج ولتاژ خروجی می‌شود. یک پروژه منبع تغذیه صنعتی خاص باعث شد که ریپل ولتاژ خروجی از 5٪ به 30٪ به دلیل مدار باز دیود افزایش یابد و منجر به عملکرد نادرست تجهیزات بار شود.
مدار چرخ آزاد قطع شده: در یک مدار ذخیره انرژی القایی، یک دیود چرخ آزاد باز می تواند باعث شود که انرژی سلف به جایی آزاد نشود و در نتیجه ولتاژ بالا افزایش یابد. یک پروژه درایور ال ای دی به دلیل یک مدار باز در دیود چرخ آزاد، افزایش ولتاژ سلف به 800 ولت (نامی 400 ولت) را تجربه کرد که منجر به خرابی ماسفت شد.
(2) از دست دادن عملکرد حفاظتی
خرابی حفاظت در برابر جریان اضافه: در گروه دیودهای موازی، اگر یکی از دیودها باز باشد، دیودهای باقیمانده باید جریان بیشتری را تحمل کنند. یک پروژه مدار متعادل کننده باتری ذخیره انرژی باعث اضافه بار و فرسودگی دیودهای دیگر به دلیل باز بودن مدار یک دیود و در نتیجه شارژ بیش از حد بسته باتری شد.
خرابی عملکرد جداسازی: در حفاظت سطح ماژول فتوولتائیک، یک مدار باز در دیود بای پس می تواند اثر نقطه داغ را تشدید کند. با توجه به مدار باز دیود بای پس در یک پروژه نیروگاه فتوولتائیک خاص، دمای یک قطعه خاص در زیر انسداد سایه به 150 درجه افزایش یافت و باعث شکستگی شیشه شد.
(3) ثبات سیستم کاهش می یابد
مدار باز می تواند باعث تغییراتی در توپولوژی مدار شود که ممکن است منجر به تشدید یا نوسان شود. یک پروژه ماژول شارژ خودروی الکتریکی خاص، مدار باز دیودی را تجربه کرد، که باعث شد مدار تشدید LLC از هم جدا شود و ولتاژ خروجی بیش از 15 ± درصد نوسان کند و باعث خاموش شدن محافظ شود.

3، پیامدهای خطا در سیستم های انرژی معمولی
1. سیستم تولید برق فتوولتائیک
ضربه سطح جزء: یک مدار باز در دیود بای پس می تواند باعث شود که دمای نقطه حرارتی قطعه در صورت انسداد جزئی از حد مجاز فراتر رود و پیر شدن مواد بسته بندی را تسریع کند. اتصال کوتاه ممکن است باعث خطای قوس جانبی DC شود. طبق آمار یک نیروگاه فتوولتائیک 5 مگاواتی، خرابی دیود 18 درصد از خرابی قطعات را تشکیل می دهد که منجر به تلفات سالانه بیش از 500000 کیلووات ساعت تولید برق می شود.
ضربه سطح اینورتر: اتصال کوتاه دیود یکسو کننده می تواند باعث ولتاژ باس DC کنترل نشده شود و منجر به انفجار ماژول IGBT شود. مدار باز منجر به جریان ورودی متناوب می شود که باعث ایجاد نویز و لرزش ترانسفورماتور می شود.
2. سیستم ذخیره انرژی
تاثیر تعادل باتری: یک مدار باز در دیود مدار تعادل می تواند منجر به افزایش ناهماهنگی در بسته باتری و کوتاه شدن عمر چرخه شود. اتصال کوتاه ممکن است باعث شارژ/دشارژ بیش از حد شود. به دلیل نقص در دیود متعادل کننده یک پروژه نیروگاه ذخیره انرژی خاص، میزان کاهش ظرفیت بسته باتری از 3٪ در سال به 8٪ در سال افزایش یافته است.
تاثیر تبدیل DC/DC: مدار باز دیود یکسو کننده سنکرون می تواند منجر به کاهش بازده بیش از 10٪ شود. اتصال کوتاه ممکن است باعث افزایش بیش از حد ولتاژ خروجی شود.
3. سیستم شارژ خودروی الکتریکی
تاثیر ماژول شارژ: اتصال کوتاه دیود مدار PFC می‌تواند باعث شود نرخ اعوجاج جریان ورودی از حد استاندارد فراتر رود و حفاظت شبکه را تحریک کند. مدار باز باعث کاهش ضریب توان به زیر 0.7 و جریمه شدن شبکه برق می شود.
تاثیر شارژر خودرو: مدار باز دیود یکسو کننده خروجی باعث وقفه در شارژ می شود. اتصال کوتاه ممکن است باعث اضافه ولتاژ در باتری شود. در یک حادثه فراخوان خودرو، بیش از 20000 خودرو به دلیل خطر اتصال کوتاه دیود خروجی فراخوان شدند.
4، تشخیص خطا و استراتژی حفاظت
1. فناوری نظارت آنلاین
نظارت بر ولتاژ/جریان: نظارت بر زمان واقعی ولتاژ و جریان در سرتاسر دیود از طریق سنسورهای هال، در صورت وجود نوسان غیرعادی بیش از 10 درصد، آلارم ایجاد می‌کند.
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 درجه)، به طور خودکار خاموش می شود.
تجزیه و تحلیل طیف امپدانس: با تزریق سیگنال‌های فرکانس بالا برای تشخیص مقاومت سری معادل دیودها، امپدانس در مدار باز به بی‌نهایت و در اتصال کوتاه به صفر نزدیک می‌شود.
2. طراحی اضافی
افزونگی موازی: چندین دیود به صورت موازی در مدارهای بحرانی متصل می شوند و سیستم همچنان می تواند در صورت بروز یک خطا کار کند. به عنوان مثال، یک اینورتر برق بادی خاص از 4 دیود SiC موازی استفاده می کند و بازده سیستم تنها پس از یک مدار باز تنها 2 درصد کاهش می یابد.
مسیر پشتیبان: یک سوئیچ مکانیکی را به موازات یک دیود در مدار ضد معکوس نصب کنید و در صورت از کار افتادن دیود به طور خودکار به مسیر سوئیچ سوئیچ کنید.
3. ارتقاء مواد و فرآیند
بسته بندی مقاوم در برابر رطوبت: بسته بندی سرامیکی یا هوابند برای تأیید قابلیت اطمینان از طریق آزمایش دو برابر 85 (85 درجه / 85٪ RH / 1000h) استفاده می شود.
لحیم کاری با تنش کم: برای تأیید مقاومت در برابر خستگی از طریق آزمایش ارتعاش (مانند 5-2000 هرتز/10 گرم) از لحیم{0} بدون سرب و سرب های الاستیک استفاده کنید.
5، مطالعه موردی: خطای دیود در مبدل نیروی باد فراساحلی
یک پروژه انرژی بادی دریایی در منطقه ای مستعد طوفان واقع شده است و در طرح اصلی از دیودهای{0}} مبتنی بر سیلیکون معمولی استفاده شده است. پس از 2 سال کار، چندین لید دیود به دلیل لرزش شکسته شد (مدار باز) و 3 دیود به دلیل خوردگی اسپری نمک اتصال کوتاه پیدا کردند. نقص عملکرد باعث:

قطع انتقال انرژی: 12 اینورتر خاموش می شود که منجر به از دست رفتن روزانه بیش از 50 مگاوات ساعت تولید برق در هر اینورتر می شود.
آسیب زنجیره تجهیزات: انفجار ماژول IGBT ناشی از اتصال کوتاه، هزینه تعمیر بیش از 2 میلیون یوان است.
تخریب پایداری سیستم: مدار باز منجر به جریان ورودی متناوب می شود و نویز ترانسفورماتور به 85 دسی بل می رسد (طراحی<65dB).
طرح بهبود شامل:

ارتقاء دستگاه: با دیودهای SiC و بسته بندی سرامیکی جایگزین کنید.
تقویت سازه: با استفاده از براکت های کاهش ارتعاش و سه پوشش مقاوم.
ارتقاء نظارت: سنسورهای دما و لرزش مادون قرمز را مستقر کنید.
پس از بهبود، سیستم به مدت 3 سال بدون هیچ گونه خرابی دیود، با افزایش تولید برق سالانه 12٪ و کاهش هزینه تعمیر و نگهداری 70٪، به طور مداوم کار می کند.