Ar dėl diodo gedimo sumažės energijos kaupimo sistemos efektyvumas?

一, diodų gedimo režimas ir efektyvumo praradimo mechanizmas
1. Atvirkštinio atkūrimo charakteristikų pablogėjimas
Aukšto-dažnio perjungimo scenarijuose, pvz., IGBT modulių anti-lygiagrečias laisvosios eigos diodas energijos kaupimo keitikliuose PCS, diodo atvirkštinis atkūrimo laikas (Trr) ir atkūrimo krūvis (Qrr) yra pagrindiniai parametrai, lemiantys efektyvumą. Kai Trr yra per ilgas arba Qrr per didelis, išjungimo proceso metu diodas suformuos didelę „uodegos srovę“, todėl gali kilti šių problemų:

Staigus perjungimo nuostolių padidėjimas: kas 10 ns padidinus Trr, jungiklio nuostoliai gali padidėti 5–8%. Pavyzdžiui, tam tikru fotovoltinio keitiklio atveju, Trr pablogėjus nuo 35ns iki 80ns, sistemos efektyvumas sumažėjo 3,7%, o MOSFET temperatūros pakilimas padidėjo 15 laipsnių.
Įtampos šuoliai ir EMI trikdžiai: Nenormalus QRr gali sukelti atvirkštinius magistralės įtampos šuolius (pvz., staigų padidėjimą nuo 1000 V iki 1200 V), o tai kelia izoliacijos gedimo riziką ir padidina elektromagnetinių trukdžių (EMI) filtravimo išlaidas.
2. Terminis pabėgimas ir parametrų poslinkis
Kai diodo jungties temperatūra (Tj) viršija vardinę vertę (pvz., 150 laipsnių), įsijungia toks užburtas ciklas:

Nuotėkio srovės padidėjimas: esant aukštai temperatūrai, atvirkštinė nuotėkio srovė (IR) gali padidėti nuo 10 μA iki 100 μA, todėl statinės energijos suvartojimas padidės dešimt kartų.
Parametrų pablogėjimas: tiesioginis įtampos kritimas (VF) didėja didėjant temperatūrai (pvz., nuo 0,8 V iki 1,2 V), tiesiogiai sumažindamas laidumo efektyvumą. Vanadžio srauto akumuliatoriaus energijos kaupimo sistemos atvejo analizė rodo, kad elektrolito temperatūrai pakilus nuo 25 laipsnių iki 45 laipsnių, diodas VF padidėja 0,3 V, o sistemos įkrovimo ir iškrovimo efektyvumas sumažėja 2,1%.
3. Pakuotės gedimas ir kontakto gedimas
Pakuotės defektai (pvz., TO-220 kaiščio oksidacija, plastikinės pakuotės drėgmės sugėrimas) gali sukelti:

Šiluminės varžos padidėjimas: Dėl prasto kontakto šiluminė varža (R θ JA) padidėja nuo 2 laipsnių /W iki 5 laipsnių /W, pagreitinant šiluminį pabėgimą.
Mechaniniai įtempių pažeidimai: kaiščio lūžimo rizika didėja esant vibracijai. Vėjo energijos keitiklio atveju 10% diodų kaiščių buvo mikroįtrūkimų dėl transportavimo vibracijos, o gedimų dažnis padidėjo po 3 mėnesių veikimo.
2, Efektyvumo sumažėjimo tipinių scenarijų analizė
1. Diodo gedimas energijos kaupimo keitiklyje (PCS)
Dviejų krypčių DC{0}}DC keitikliuose antilygiagrečiojo laisvosios eigos diodo gedimas gali sukelti:

Pertraukiama srovė: esant atviros grandinės gedimui, induktoriaus srovė negali toliau tekėti, modulio kondensatoriaus įtampa (Uac) toliau mažėja, o sistemos išėjimo galia sumažėja 30–50%.
Tiesioginis tilto svirties prijungimas: trumpojo jungimo gedimo atveju IGBT perdega dėl viršsrovių. Energijos kaupimo jėgainės atveju dėl vieno diodo trumpojo jungimo PCS priežiūros išlaidos viršijo 500 000 juanių.
2. Baterijos valdymo sistemos (BMS) diodo gedimas
Balansavimo grandinėje diodai naudojami siekiant išvengti akumuliatoriaus perkrovimo, o jų gedimai gali sukelti:

Pusiausvyros sutrikimas: Atviros grandinės gedimas sukėlė vieno akumuliatoriaus įtampos disbalansą. Ličio baterijos energijos kaupimo sistemos atveju dėl atviros diodo grandinės tam tikra baterija buvo perkrauta iki 4,5 V (vardinė įtampa 4,2 V), todėl šiluminis nutrūkimas.
Atvirkštinis nuotėkis: dėl trumpojo jungimo gedimų padidėja akumuliatoriaus savaiminio išsikrovimo greitis, todėl sistemos budėjimo režimo nuostoliai padidėja 20–30 %.
3. Diodo gedimas pagalbiniame maitinimo šaltinyje
DC/DC pagalbiniame maitinimo šaltinyje diodai naudojami maitinimo tiekimui valdymo grandinėms, o jų gedimai gali sukelti:

Valdymo nestabilumas: dėl atviros grandinės gedimo gali nutrūkti BMS arba PCS valdymo plokštė, todėl padidėja sistemos išjungimo rizika. Energiją kaupiančios elektrinės atvejo tyrime dėl atviros grandinės pagalbiniame maitinimo diode visa PCS sistema išsijungė vienu metu, todėl sutrinka tinklo dažnio reguliavimas.
Efektyvumo šuolis: dėl trumpojo jungimo gedimo pagalbinio maitinimo šaltinio efektyvumas sumažėjo nuo 90 % iki 70 %, todėl sistemos savaiminis suvartojimas padidėjo du{2}} kartus.
3, Efektyvumo optimizavimo strategija ir techninė praktika
1. Dinaminis stebėjimas ir sveikatos valdymas
Parametrų stebėjimas internetu: fiksuokite VF, IR, Trr ir kitus parametrus per osciloskopą ir nustatykite slenksčius (pvz., suaktyvinkite aliarmą, kai VF pakyla 10%).
Infraraudonųjų spindulių termografija: reguliariai stebėkite diodų jungties temperatūrą, kad įsitikintumėte, jog Tj yra mažesnis arba lygus 125 laipsniams (silicio prietaisams) arba Tj mažesnis arba lygus 175 laipsniai (SiC įrenginiams).
Duomenimis pagrįsta priežiūra: sukurkite gedimų duomenų bazę ir numatykite likusį tarnavimo laiką (RUL) naudodami mašininį mokymąsi. Energijos kaupimo jėgainės atvejo tyrime ši strategija sumažino neplanuotas prastovos laiką 40%.
2. Sistemos lygio optimizavimo projektavimas
Topologijos tobulinimas: vietoj tradicinių diodų panaudojus sinchroninio ištaisymo technologiją, efektyvumas gali padidėti 2–3%. Pavyzdžiui, 48 V ryšio maitinimo šaltinio atveju sinchroninis ištaisymas padidino efektyvumą nuo 92% iki 95%.
Bendradarbiavimas šilumos valdymo srityje: skysčių aušinimo sistemos derinimas su optimizuotu diodų išdėstymu. Megavatų lygio energijos kaupimo jėgainės atvejo tyrime šis sprendimas sumažino PCS temperatūros kilimą 10 laipsnių ir padidino efektyvumą 0,8%.
Atleidimo dizainas: raktų grandinė naudoja lygiagrečius diodus. Atliekant energijos kaupimo sistemos atominėje elektrinėje atvejo tyrimą, perteklinis projektas pasiekė 99,999% sistemos prieinamumą.