تاثیر خرابی دیود بر اینورتر چیست؟

一، انواع و مکانیسم های فیزیکی شکست دیود
شکست دیود را می توان به دو نوع تقسیم کرد: شکست الکتریکی و شکست حرارتی و مکانیسم های فیزیکی آنها ارتباط نزدیکی با خواص مواد، غلظت دوپینگ، دما و عوامل دیگر دارد.

1. شکست الکتریکی: یک فرآیند فیزیکی برگشت پذیر
خرابی الکتریکی شامل دو مکانیسم است: خرابی زنر و خرابی بهمن

خرابی زنر: در اتصالات PN بسیار دوپ شده (مانند تنظیم کننده های ولتاژ) رخ می دهد، جایی که عرض لایه تخلیه بسیار باریک است.<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 میکرومتر). ولتاژ معکوس، حامل های اقلیت را شتاب می دهد و باعث می شود که آنها با شبکه برخورد کنند و حامل های جدیدی تولید کنند و یک واکنش زنجیره ای بهمنی را تشکیل دهند. ولتاژ شکست بهمن عموماً بالاتر از 6 ولت است و دارای ضریب دمایی مثبت است (ولتاژ شکست با دما افزایش می یابد).
شکست الکتریکی اساسا یک فرآیند فیزیکی برگشت پذیر است.

2. شکست حرارتی: شکست فاجعه بار برگشت ناپذیر
هنگامی که جریان معکوس پس از خرابی الکتریکی همچنان به افزایش خود ادامه می دهد، یا زمانی که اقدامات جریان بی نهایت در مدار انجام می شود، مصرف برق اتصال PN از مقدار حدی فراتر می رود و در نتیجه دمای اتصال به شدت افزایش می یابد. در این مرحله، الکترون‌های ظرفیت در پیوند کووالانسی انرژی کافی برای رهایی از محدودیت‌های اتمی به دست می‌آورند و تعداد زیادی جفت حفره الکترون آزاد را تشکیل می‌دهند و رشد جریان را تشدید می‌کنند و یک حلقه بازخورد مثبت را تشکیل می‌دهند. در نهایت، اتصال PN به دلیل گرمای بیش از حد ذوب می شود و یک اتصال کوتاه دائمی ایجاد می کند که به عنوان شکست حرارتی شناخته می شود. شکست حرارتی برگشت ناپذیر است و دیود به طور کامل عملکرد خود را از دست می دهد.

2، آسیب مستقیم خرابی دیود به اینورترها
دیودها در اینورترها عمدتاً برای یکسوسازی، چرخش آزاد و گیره استفاده می شوند و خرابی آنها می تواند باعث انتشار خطا در مسیرهای مختلف شود.

1. تصحیح خرابی دیود: اتصال کوتاه برق و انفجار خازن
در اینورترهای فتوولتائیک یا منابع برق صنعتی، پل یکسو کننده از 6 دیود (3 کاتد مشترک و 3 آند مشترک) تشکیل شده است. اگر یک دیود منفرد از نظر حرارتی شکسته شود و یک اتصال کوتاه ایجاد کند، باعث می شود که قطب های مثبت و منفی باس DC مستقیما هدایت شوند و منجر به اتصال کوتاه برق شود. در این مرحله، خازن فیلتر به دلیل جریان بیش از حد به سرعت گرم می شود و باعث تبخیر و انبساط الکترولیت می شود که ممکن است منجر به انفجار شود. به عنوان مثال، در یک نیروگاه فتوولتائیک خاص، خرابی دیود یکسو کننده باعث شد که خازن جانبی DC منفجر شود و در نتیجه کل ماژول اینورتر از بین رفته و بیش از 100000 یوان ضرر اقتصادی مستقیمی به همراه داشته باشد.
2. خرابی دیود گیره: ولتاژ باس خارج از کنترل
در اینورترهای چند سطحی، از دیودهای گیره برای محدود کردن نوسانات ولتاژ باس DC استفاده می‌شود. اگر دیود گیره خراب شود، ولتاژ باس ممکن است از محدوده ولتاژ مقاومت IGBT فراتر رود و باعث خرابی زنجیره شود. به عنوان مثال، یک مبدل فرکانس ولتاژ متوسط ​​دچار خرابی دیود گیره شد که باعث شد ولتاژ باس DC از 600 ولت به 900 ولت افزایش یابد و در نتیجه به همه 12 ماژول IGBT آسیب وارد شود و سیستم تا 72 ساعت خاموش شود.

3، اثرات سطح سیستم شکست دیود
1. تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و اعوجاج سیگنال
هنگامی که یک دیود خراب می شود، تغییر سریع در جریان اتصال کوتاه-تداخل الکترومغناطیسی با فرکانس{1} بالا ایجاد می کند که از طریق ظرفیت انگلی به مدار کنترل متصل می شود و باعث اعوجاج سیگنال درایو IGBT می شود. در یک مورد مبدل نیروی باد، تداخل EMI ناشی از خرابی دیود چرخ آزاد منجر به از دست دادن پالس 10 میکروثانیه سیگنال درایو IGBT می‌شود که باعث می‌شود گشتاور موتور بیش از 20 درصد نوسان کند و زنگ لرزش مکانیکی را ایجاد کند.
2. عملکرد نادرست مدار حفاظتی و فلج شدن سیستم
اینورترهای مدرن معمولاً به عملکردهای حفاظت از جریان اضافه، اضافه ولتاژ و دمای بیش از حد مجهز هستند. با این حال، خرابی دیود ممکن است منجر به قضاوت نادرست مدار حفاظت شود:
عملکرد نادرست حفاظت در برابر جریان اضافه: جریان اتصال کوتاه ممکن است با تغییر ناگهانی بار اشتباه گرفته شود که باعث ایجاد حفاظت محدود کننده جریان و باعث کاهش عملکرد سیستم شود.
خرابی حفاظت از اضافه ولتاژ: اگر دیود گیره خراب شود، نقطه نظارت ولتاژ باس از کار می افتد و حفاظت از اضافه ولتاژ نمی تواند فعال شود.
تأخیر حفاظت در برابر دمای بیش از حد: دما در نقطه خرابی دیود ممکن است بالاتر از دما در نقطه نظارت سنسور باشد و باعث تاخیر در راه اندازی حفاظت در برابر دمای بیش از حد شود.
در مورد اینورتر کششی در یک ترانزیت ریلی خاص، خرابی دیود یکسو کننده باعث عملکرد نادرست حفاظت در برابر جریان اضافه شده و در نتیجه عملکرد مکرر سیستم را کاهش می دهد. در نهایت به دلیل تجمع گرما، ماژول IGBT منفجر شد و قطار به مدت 12 ساعت متوقف شد.
4، استراتژی حفاظت و طراحی قابلیت اطمینان
1. طراحی مدار: افزونگی و محدودیت جریان
طراحی اضافی: در پل یکسو کننده، یک پیکربندی اضافی "N+1" اتخاذ می شود، که به این معنی است که دیودهای اضافی به صورت موازی متصل می شوند. هنگامی که یک دیود منفرد خراب می شود، سیستم همچنان می تواند با ظرفیت کاهش یافته کار کند.
مقاومت محدود کننده جریان: مقاومت های مقاومت کوچک (مانند 0.1 Ω/5 وات) را به صورت سری در سراسر دیود وصل کنید تا حداکثر جریان مدار کوتاه- را محدود کنید.
مدار بافر RC: یک مدار بافر RC (مانند C=0.1 μ F, R=10 Ω) به مدار موازی دیود IGBT اضافه کنید تا ولتاژ اضافی خاموشی را جذب کرده و تنش معکوس دیود را کاهش دهید.
2. نظارت بر سیستم: تشخیص واقعی-و نگهداری پیشگویانه
تشخیص تصویربرداری حرارتی مادون قرمز: نظارت بر زمان واقعی دمای پوسته دیود از طریق یک تصویرگر حرارتی مادون قرمز، هنگامی که دما از مقدار نامی 15 درجه فراتر رفت، زنگ هشدار ایجاد می کند.
نظارت بر پارامترهای الکتریکی: نظارت بر زمان واقعی جریان دیود از طریق سنسورهای جریان (مانند سنسورهای هال) و حفاظت زمانی فعال می شود که جریان از 1.2 برابر مقدار نامی بیشتر شود.
پیش‌بینی خطای هوش مصنوعی: مدل‌های یادگیری ماشین را بر اساس داده‌های تاریخی برای پیش‌بینی عمر باقی‌مانده (RUL) دیودها و جایگزینی{0}}قطعات پرخطر از قبل آموزش دهید.