Kaip naudoti diodus, kad būtų pasiektas vienakryptis energijos perdavimas mikrotinkluose?

1, Fizinis vienkrypčio diodų laidumo pagrindas
Diodo šerdies struktūra yra PN sandūra, sudaryta iš P- tipo puslaidininkio (su didele skylių koncentracija) ir N- tipo puslaidininkio (su didele elektronų koncentracija). PN sandūros sąsajoje elektronai difunduoja iš N srities į P sritį, o skylės difunduoja iš P srities į N sritį, todėl P sritis yra neigiamai įkraunama šalia sandūros, o N sritis – teigiamai įkraunama šalia sandūros, suformuojant vidinį elektrinį lauką (erdvės krūvio sritį). Šis elektrinis laukas turi dvi pagrindines charakteristikas:

Teigiamas laidumas: kai P sritis yra prijungta prie teigiamo maitinimo šaltinio poliaus, o N sritis yra prijungta prie neigiamo poliaus, išorinis elektrinis laukas susilpnina įtaisytą-elektrinį lauką, erdvės krūvio sritis susiaurėja ir dauguma nešėjų (elektronų ir skylių) gali kirsti jungties sritį, sudarydami srovę, todėl diodo varža yra maža.
Atvirkštinis atjungimas: kai P sritis yra prijungta prie neigiamo elektrodo, o N sritis yra prijungta prie teigiamo elektrodo, išorinis elektrinis laukas sustiprina įtaisytą-elektrinį lauką, erdvės krūvio sritis išsiplečia, dauguma krūvininkų blokuojami ir tik keli krūvininkai sudaro mažą atvirkštinę srovę (nuotėkio srovę), todėl diodo varža yra didelė.
Dėl šios charakteristikos diodai yra idealus komponentas vienakrypčiui energijos srautui pasiekti. Kaip pavyzdį paėmus silicio diodus, jų tiesioginio laidumo įtampos kritimas yra apie 0,6–0,7 V, o jų atvirkštinio gedimo įtampa gali siekti kelis šimtus voltų, o tai gali atitikti žemos įtampos nuolatinės srovės (pvz., 48 V) iki vidutinės įtampos nuolatinės srovės (pvz., 400 V) izoliacijos reikalavimus mikrotinkluose.

2, Pagrindinis reikalavimas vienakrypčiui energijos perdavimui mikrotinkluose
Mikrotinklų energijos srautas pasižymi daugiašalio, dvikrypčio ir dinamiškomis savybėmis, o energijos valdymas turi spręsti tris pagrindines problemas:

Maitinimo šaltinių izoliacija: kad skirtingi energijos šaltiniai (pvz., fotovoltinė, energijos kaupimo, dyzeliniai generatoriai) neveiktų vienas kito dėl įtampos svyravimų ar gedimų.
Energijos grįžtamojo ryšio valdymas: kad energija nepatektų atgal į silpną tinklą ir nepadidėtų įtampa stabdant variklį arba generuojant fotoelektrą.
Greitas gedimo izoliavimas: kai maitinimo šaltinyje arba apkrovoje įvyksta trumpasis jungimas, gedimo kelias nutraukiamas, kad gedimas neišplistų.
Tradiciniai sprendimai priklauso nuo kontaktorių arba grandinės pertraukiklių, tačiau kenčia dėl lėto reakcijos laiko (milisekundėmis), mechaninio susidėvėjimo ir kitų problemų. Diodas, turintis nanosekundžių atsako greitį ir neturintis mechaninių kontaktinių charakteristikų, tapo pagrindiniu komponentu norint greitai ir patikimai izoliuoti energiją.

3, Tipiški diodų panaudojimo scenarijai mikrotinkluose
(1) Vienakryptis nuolatinės srovės magistralės energijos perdavimas
Nuolatinės srovės mikrotinkluose diodai dažniausiai naudojami vienkrypčiams laidžioms jungtims konstruoti, leidžiančioms valdyti energijos srautą tarp skirtingų įtampos lygių šynų. Pavyzdžiui:

Fotovoltinė energijos kaupimo sistema: fotovoltinė matrica tiekia maitinimą į 48 V nuolatinės srovės magistralę per diodus, o energijos kaupimo baterija yra prijungta prie tos pačios magistralės per DC/DC keitiklį. Kai fotovoltinės išėjimo galia viršija apkrovos poreikį, diodas neleidžia energijai tekėti atgal į fotovoltinę plokštę, taip išvengiant skydo pažeidimo dėl atvirkštinio poslinkio šildymo; Tuo tarpu energijos kaupimo sistema sugeria energijos perteklių per dvikrypčius DC/DC keitiklius.
Kelių energijos šaltinių lygiagretus jungimas: Vėjo saulės energijos kaupimo papildomame mikrotinkle skirtingi maitinimo šaltiniai yra prijungti lygiagrečiai su nuolatinės srovės magistrale per diodus. Kai maitinimas išsijungia dėl gedimo, diodas automatiškai nutraukia ryšį su magistrale, kad gedimo įtampa nepaveiktų kitų maitinimo šaltinių.
(2) Energijos grįžtamojo ryšio slopinimas ryšio pusėje
Ryšio mikrotinklelyje diodų derinys su tiristoriais arba IGBT gali sukurti energijos grįžtamojo ryšio slopinimo grandines. Pavyzdžiui:

Variklio pavaros sistema: kai variklis yra stabdomas, regeneruota energija per atvirkštinius lygiagrečius diodus grąžinama atgal į nuolatinės srovės magistralę. Jei magistralės įtampa per aukšta, diodas nuosekliai jungiamas su stabdymo rezistoriumi, kad energijos perteklių paverstų šiluminės energijos sąnaudomis, taip išvengiant nuolatinės srovės magistralės viršįtampio.
Paskirstytos kartos tinklo jungtis: keitiklio išėjimo gale esantys diodai gali neleisti energijai tekėti atgal į keitiklį tinklo gedimų (pvz., įtampos šuolių) atveju, apsaugodami maitinimo įrenginius nuo viršsrovių pažeidimų.
(3) Greitas gedimų izoliavimas ir apsauga
Diodai turi unikalių pranašumų apsaugant nuo mikrotinklo gedimų. Pavyzdžiui:

Nuolatinės srovės trumpojo jungimo{0}}apsauga: nuolatinės srovės mikrotinkle, jei šakoje įvyksta trumpasis jungimas, trumpojo jungimo srovė per diodą sudarys mažos varžos grandinę. Šiuo metu greitasis saugiklis arba grandinės pertraukiklis gali aptikti viršsrovės signalą ir nupjauti sugedusią šaką, o diodas gali neleisti trumpojo jungimo srovei tekėti atgal į kitas sveikas šakas.
Įžeminimo gedimo izoliavimas: IT įžeminimo sistemose diodai gali būti naudojami izoliacijos stebėjimo grandinėms konstruoti. Kai tam tikroje fazėje įvyksta įžeminimo gedimas, diodas sudaro nedidelę srovę, o stebėjimo įtaisas nustato gedimo vietą aptikdamas šią srovę. Tuo pačiu metu diodas riboja gedimo srovės amplitudę, kad būtų išvengta įrangos sugadinimo.
4, Pagrindiniai techniniai punktai inžinerinėje praktikoje
(1) Diodų pasirinkimas ir parametrų suderinimas
Naudojant mikrotinklą, renkantis diodus reikia atsižvelgti į šiuos parametrus:

Nominali įtampa: Ji turėtų būti didesnė už maksimalią sistemos darbinę įtampą ir palikti 20–50% ribą. Pavyzdžiui, 400 V nuolatinės srovės magistralėje reikia pasirinkti diodus, kurių atsparumo įtampa yra 600 V ar aukštesnė.
Nominali srovė: ją reikia pasirinkti pagal maksimalią apkrovos srovę ir perkrovos pajėgumą. Pavyzdžiui, fotovoltinėje sistemoje vardinė diodo srovė turėtų būti didesnė už fotovoltinės matricos trumpojo -jungimo srovę.
Atvirkštinis atkūrimo laikas: aukšto-dažnio perjungimo programose (pvz., PWM moduliacijoje) greito atkūrimo diodai su trumpu atvirkštinio atkūrimo laiku (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Šiluminė varža ir šilumos išsklaidymas: diodo jungties temperatūra turi būti kontroliuojama žemiau 150 laipsnių, o tinkamas šilumos išsklaidymo būdas (pvz., natūralus aušinimas, aušinimas oru arba aušinimas skysčiu) turi būti parinktas atsižvelgiant į energijos suvartojimą.
(2) Sistemos topologijos optimizavimas
Mikrotinklų diodų topologijos struktūra turi būti suprojektuota pagal specifinius reikalavimus. Pavyzdžiui:

Serijinis diodas: naudojamas siekiant pagerinti atsparumo įtampos lygį, tačiau reikia atkreipti dėmesį į įtampos išlyginimą, kad būtų išvengta diodo viršįtampio gedimo dėl netolygaus įtampos pasiskirstymo.
Lygiagretusis diodas: naudojamas siekiant pagerinti srovės pralaidumą, tačiau reikia atkreipti dėmesį į srovės pasidalijimą, kad būtų išvengta diodo perkaitimo ir sugadinimo dėl netolygaus srovės paskirstymo.
Diodų MOSFET/IGBT hibridinė topologija: scenarijuose, kai reikalingas dvikryptis energijos srautas, galima naudoti hibridinę diodo ir MOSFET/IGBT topologiją. Pavyzdžiui, dvikrypčiuose nuolatinės srovės/nuolatinės srovės keitikliuose diodai naudojami vienakrypčiui laidumui, o MOSFET – atvirkštiniam laidumui, siekiant dvikrypčio energijos srauto valdymo.
(3) Bendradarbiavimo kontrolės strategija
Diodų energijos valdymas mikrotinkluose turi būti derinamas su valdymo strategijomis. Pavyzdžiui:

Energijos valdymo algoritmas, pagrįstas diodais: Stebint nuolatinės srovės magistralės įtampą ir įvairių maitinimo šaltinių išėjimo galią, dinamiškai koreguojant diodų laidumo būseną, kad būtų pasiektas optimalus energijos paskirstymas.
Apsaugos nuo gedimų strategija: Sukurkite greitus ir patikimus gedimų aptikimo ir izoliavimo algoritmus, pagrįstus diodų laidumo charakteristikomis. Pavyzdžiui, aptikus nenormalią srovę tam tikroje šakoje, tos šakos diodas nedelsiant nupjaunamas, kad gedimas neišplistų.
5, Atvejo analizė: Diodų taikymas salų mikrotinkluose
Mikrotinklo projekte tam tikroje saloje naudojama nuolatinės srovės magistralės architektūra, integruojanti fotovoltinę energiją, energijos kaupimą, dyzelinius generatorius ir apkrovas. Energijos valdymo planas yra toks:

Fotovoltinė sistema: fotovoltinė matrica tiekia maitinimą į 48 V nuolatinės srovės magistralę per diodus, kurie neleidžia energijai tekėti atgal į fotovoltinę plokštę naktį arba gedimų metu.
Energijos kaupimo sistema: Ličio baterijos yra prijungtos prie magistralės per dvikryptį DC/DC keitiklį, kad būtų galima valdyti energijos įkrovimą ir iškrovimą.
Dyzelinis generatorius: kaip atsarginis maitinimo šaltinis, jis yra prijungtas prie šynos per diodus, kad būtų išvengta energijos atgalinio srauto iš šynos, kai generatorius išjungiamas.
Apkrovos valdymas: nuolatinės srovės apkrovos yra tiesiogiai prijungtos prie magistralės, o kintamosios srovės apkrovos yra prijungtos per keitiklį. Inverterio išvesties gnybte yra diodai, neleidžiantys energijai tekėti atgal į keitiklį esant tinklo gedimams.
Ši schema užtikrina saugią izoliaciją ir vienkryptį energijos srautą tarp fotovoltinių, energijos kaupimo ir dyzelinių generatorių per diodus, padidindama sistemos efektyvumą iki 92% ir sutrumpindama atsako į gedimą laiką iki 10 μs.