Ar labai skiriasi skirtingų diodų tarnavimo laikas energetinėje įrangoje?

一, Medžiagos savybės: fizinis pagrindas, lemiantis gyvenimo trukmę
Diodo eksploatavimo trukmė yra glaudžiai susijusi su jo medžiagos savybėmis, o skirtingų medžiagų fizinės ribos tiesiogiai nulemia įrenginio ilgaamžiškumą.

1. Silicio diodai: tradicijos ir apribojimai
Silicio (Si), kaip labiausiai paplitusios puslaidininkinės medžiagos, skilimo lauko stipris yra 0,3 MV/cm, šilumos laidumas yra apie 1,5 W/(cm · K), o tipinė viršutinė darbinės temperatūros riba yra 150 laipsnių. Fotovoltiniuose inverteriuose, nors įprasti silicio lygintuvų diodai gali atitikti sistemos reikalavimus žemiau 1000 V, esant aukšto -dažnio perjungimo scenarijui (pvz., virš 20 kHz), atvirkštinio atkūrimo laikas (trr) yra gana ilgas (apie 200 -500 ns), todėl perjungimas žymiai padidėja. Ilgalaikis veikimas aukštoje{13}}temperatūroje pagreitins silicio medžiagų grotelių defektų kaupimąsi, todėl nuotėkio srovė kasmet didės, o eksploatavimo trukmė paprastai yra 5–10 metų. Pavyzdžiui, po 8 eksploatavimo metų tam tikros fotovoltinės elektrinės silicio diodas buvo priverstas pakeisti dėl per didelės nuotėkio srovės sumažėjusio rektifikavimo efektyvumo 15%.

2. Silicio karbido diodas: aukštos temperatūros ir aukštos įtampos atsparumo proveržis
Silicio karbido (SiC) skilimo lauko stipris siekia 2,2MV/cm, šilumos laidumas padidėja iki 4,9W/(cm · K), o viršutinė darbinės temperatūros riba viršija 200 laipsnių. Pagrindinis jo pranašumas yra itin trumpas atvirkštinio atkūrimo laikas (<50ns) and the positive temperature coefficient characteristic, which facilitates parallel expansion. In offshore wind power converters, SiC Schottky diodes can withstand a reverse voltage of 1200V and a forward current of 500A, and operate stably in the temperature range of -40 ℃ to 85 ℃. After adopting SiC diodes in a certain offshore wind farm, the system failure rate decreased from 0.5%/year to 0.1%/year, the service life was extended to over 15 years, and the maintenance cycle was extended from 3 years to 5 years.

3. Galio nitrido diodas: aukšto dažnio ir mažo nuostolio atstovas
Galio nitrido (GaN) elektronų mobilumas yra 10 kartų didesnis nei silicio, todėl jis tinkamas naudoti aukšto -dažnio (pvz., virš 100 kHz). 5G bazinių stočių fotovoltinės energijos tiekimo sistemoje GaN didelio elektronų mobilumo tranzistorių (HEMT) integruoti diodai užtikrina signalo ištaisymą 24 GHz-52 GHz dažnių juostoje, todėl energijos suvartojimas sumažėja 30 %, palyginti su silicio įrenginiais. Pritaikius GaN schemą tam tikroje bazinėje stotyje, paros energijos gamyba padidėjo 18%, o diodų eksploatavimo trukmė siekė daugiau nei 100 000 valandų (apie 11 metų), gerokai viršijant 50 000 valandų silicio pagrindu veikiančių įrenginių.

2, Taikymo scenarijus: pagrindiniai gyvenimo trukmės diferencijavimo kintamieji
Dideli skirtingų energijos įrenginių diodų veikimo reikalavimų skirtumai tiesiogiai lemia eksploatavimo trukmės skirtumus.

1. Fotovoltinės energijos gamyba: nuo centralizuotos iki paskirstytos
Centralizuotose fotovoltinėse elektrinėse 1500V sistemai keliami itin aukšti diodų įtampos varžos ir šilumos sklaidos reikalavimai. Norint patenkinti tradicinius silicio{2}diodus, reikia lygiagrečiai prijungti kelis įrenginius, tačiau netolygus lygiagretusis ryšys gali sukelti vietinį perkaitimą ir paspartinti senėjimą. Ir vienas SiC diodas gali atlaikyti 1200 V įtampą, todėl sumažėja lygiagrečių jungčių skaičius ir sumažėja gedimų rizika. Pritaikius SiC schemą, 100 MW fotovoltinės elektrinės diodų gedimo dažnis sumažėjo nuo 0,3 % per metus iki 0,05 % per metus, o eksploatavimo trukmė pailgėjo iki 20 metų.

Paskirstytose fotovoltinėse sistemose, pvz., ant stogo įrengtose fotovoltinėse sistemose, diodai turi prisitaikyti prie įtampos svyravimų, atsirandančių dėl dažno paleidimo sustabdymo ir šešėliavimo. Schottky diodai yra tinkamiausias pasirinkimas optimizatoriams dėl mažo tiesioginės įtampos kritimo (VF<0.3V) and fast recovery characteristics. After adopting Schottky diodes in a household photovoltaic system, the power generation efficiency increased by 8%, and the diode lifespan reached 12 years, which is 40% higher than silicon-based devices.

2. Vėjo energijos gamyba: iš sausumos į jūrą
Sausumos vėjo energijos keitikliuose diodai turi atlaikyti srovės viršįtampius, kuriuos sukelia vėjo greičio svyravimai. Pritaikius SiC diodus tam tikroje 2,5 MW vėjo turbinoje, keitiklio efektyvumas išliko stabilus ir viršijo 98,5 % vėjo greičio diapazone nuo 5 m/s iki 25 m/s, o diodo tarnavimo laikas siekė 15 metų. Tradiciniai silicio{7}įrenginiai yra linkę sugesti dėl perkaitimo staigių vėjo greičio pokyčių metu. Jų tarnavimo laikas yra tik 8–10 metų.

Jūros vėjo energijos aplinka yra griežtesnė, nes purškiama druska, vibracija ir sensta aukštoje{0}}temperatūros pagreičio komponentai. Plaukiojančioje jūros vėjo jėgainės platformoje naudojami metaliniai SiC diodai, kurie stabiliai veikia aplinkoje, kurioje yra 95 % drėgmė ir 5 % druskos purškimo koncentracija, naudojant vandenilio lanko gesinimo ir keraminio pagrindo technologiją. Eksploatavimo trukmė viršija 200 000 valandų (apie 23 metus), o tai yra 50% ilgesnė nei antžeminės įrangos.

3. Energijos kaupimo sistema: įkrovimo ir iškrovimo valdymo pagrindas
Energijos kaupimo inverteriuose diodai turi atlaikyti trumpalaikius aukštos įtampos smūgius akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo metu. Tam tikroje 5 MWh energijos kaupimo sistemoje naudojamas 5,1 V įtampos reguliatoriaus diodas, kuris sumažina atvirkštinio atkūrimo įkrovą (Qrr) iki trečdalio tradicinių prietaisų naudojant aukso dopingo technologiją, pailgindamas baterijos veikimo laiką 20 % ir padidindamas pusiausvyros efektyvumą iki 99,5 %. Diodo tarnavimo laikas gali siekti daugiau nei 10 metų. Tradiciniai silicio -pagrįsti įrenginiai dėl didelio QRr yra linkę vietiniu būdu perkaisti akumuliatorių, o jų tarnavimo laikas yra tik 5–7 metai.

3, prisitaikymas prie aplinkos: nematomas gyvenimo trukmės žudikas
Aplinkos veiksnių įtaka diodų eksploatavimo trukmei dažnai neįvertinama, tačiau tai yra pagrindinis veiksnys, lemiantis ilgalaikį įrenginių patikimumą.

1. Temperatūra: katalizatorius, greitinantis senėjimą
Diodo tarnavimo laikas yra eksponentiškai susijęs su jo sandūros temperatūra. Silicio -pagrįstų įrenginių eksploatavimo trukmė yra apie 10 000 valandų, kai jungties temperatūra yra 125 laipsnių, o SiC įrenginiai vis tiek gali stabiliai veikti 100 000 valandų, kai jungties temperatūra yra 175 laipsnių. Lyginamasis tam tikros fotovoltinės elektrinės bandymas rodo, kad inverterių, naudojančių SiC diodus, jungties temperatūra vasarą aukštoje temperatūroje (45 laipsnių aplinkos temperatūra) yra 30 laipsnių žemesnė nei silicio{8}pagrįstų įrenginių, o jų eksploatavimo trukmė pailgėja iki 15 metų, o silicio{11}pagrįstų įrenginių eksploatavimo trukmė yra tik 8 metai.

2. Drėgmė ir druskos purškimas: lėtiniai korozijos nuodai
Jūros vėjo energijos ir pakrantės fotovoltinės sistemose drėgmė ir purškiama druska gali suėsti diodų pakavimo medžiagas, todėl padidės nuotėkio srovė. Jūros vėjo jėgainių parke atlikti bandymai parodė, kad neapsaugotų silicio -diodų, vienerius metus veikę druskos purškimo aplinkoje, nuotėkio srovė padidėja 50 %, o jų tarnavimo laikas sutrumpėja penkeriais metais; SiC diodai su trimis anti-dangomis (atsparūs drėgmei,{3}}atsparūs druskai ir pelėsiams) vis tiek gali tarnauti ilgiau nei 15 metų.

3. Vibracija ir smūgis: mechaninių pažeidimų priežastys
Dėl vėjo turbinų vibracijos gali atsilaisvinti diodų kaiščiai arba įtrūkti litavimo jungtys. Remiantis tam tikro vėjo jėgainių parko statistika, silicio-diodų be smūgius-sugeriančios konstrukcijos gedimo dažnis yra 0,8 % per metus, o SiC diodų su guminėmis amortizacinėmis trinkelėmis- ir dervos apvalkalu gedimų dažnis sumažinamas iki 0,1 % per metus, o eksploatavimo trukmė pailgėja iki 18 metų.

4, Pramonės poveikis ir gyvenimo trukmės skirtumų tendencijos
Diodų eksploatavimo trukmės skirtumas tiesiogiai įtakoja viso energijos įrangos eksploatavimo ciklo kainą. Pavyzdžiui, fotovoltinės elektrinės, silicio -pagrįstus įrenginius reikia keisti kas 8–10 metų, o SiC įrenginius galima pratęsti iki 15–20 metų, todėl eksploatavimo ir priežiūros išlaidos sumažėja daugiau nei 40 proc. Kadangi plačiajuosčio ryšio medžiagų kaina ir toliau mažėja, SiC diodų įsiskverbimo į energijos įrangą rodiklis padidės nuo 30 % 2025 m. iki 60 % 2030 m., todėl pramonė bus efektyvesnė ir patikimesnė.