Mikro şebekelerde tek yönlü enerji iletimini sağlamak için diyotlar nasıl kullanılır?

1, Diyotların tek yönlü iletkenliğinin fiziksel temeli
Bir diyotun çekirdek yapısı, P- tipi bir yarı iletken (yüksek delik konsantrasyonuna sahip) ve N- tipi bir yarı iletkenin (yüksek elektron konsantrasyonuna sahip) birleşiminden oluşan bir PN bağlantısıdır. PN bağlantı arayüzünde, elektronlar N bölgesinden P bölgesine yayılır ve delikler P bölgesinden N bölgesine yayılır, bu da P bölgesinin bağlantı noktası yakınında negatif olarak yüklenmesine ve N bölgesinin bağlantı noktası yakınında pozitif olarak yüklenmesine neden olarak bir iç elektrik alanı (uzay yük bölgesi) oluşturur. Bu elektrik alanının iki temel özelliği vardır:

Pozitif iletim: P bölgesi güç kaynağının pozitif kutbuna ve N bölgesi negatif kutba bağlandığında, harici elektrik alanı dahili elektrik alanını zayıflatır, uzay yük bölgesi daralır ve çoğu taşıyıcı (elektronlar ve delikler) bir akım oluşturmak için bağlantı bölgesini geçebilir, bu da diyotun düşük direnç durumuna neden olur.
Ters kesme: P bölgesi negatif elektroda ve N bölgesi pozitif elektroda bağlandığında, harici elektrik alanı yerleşik elektrik alanını güçlendirir-, uzay yük bölgesi genişler, yük taşıyıcıların çoğu bloke olur ve yalnızca birkaç yük taşıyıcısı küçük bir ters akım (kaçak akım) oluşturarak diyotun yüksek direnç durumuna neden olur.
Bu özellik, diyotları tek yönlü enerji akışını sağlamak için ideal bir bileşen haline getirir. Silikon diyotları örnek olarak alırsak, bunların ileri iletim voltajı düşüşü yaklaşık 0,6-0,7V'dir ve ters arıza voltajı birkaç yüz volta ulaşabilir; bu, mikro şebekelerde düşük voltajlı DC'den (48V gibi) orta voltajlı DC'ye (400V gibi) izolasyon gereksinimlerini karşılayabilir.

2, Mikro şebekelerde tek yönlü enerji iletiminin temel gereksinimi
Mikro şebekelerin enerji akışı, çok-kaynaklı, çift yönlü ve dinamik özelliklere sahiptir ve enerji yönetiminin üç temel sorunu ele alması gerekir:

Güç kaynakları arasında izolasyon: Farklı güç kaynaklarının (fotovoltaik, enerji depolama, dizel jeneratörler gibi) voltaj dalgalanmaları veya arızalar nedeniyle birbirini etkilemesini önlemek.
Enerji geri besleme kontrolü: Enerjinin zayıf şebekeye geri akmasını ve motor frenlemesi veya fotovoltaik aşırı üretim sırasında voltaj yükselmesine neden olmasını önlemek için.
Hızlı arıza izolasyonu: Bir güç kaynağı veya yükte kısa devre meydana geldiğinde, arızanın yayılmasını önlemek için arıza yolu kesilir.
Geleneksel çözümler kontaktörlere veya devre kesicilere dayanır ancak yavaş yanıt süreleri (milisaniye cinsinden), mekanik aşınma ve diğer sorunlardan muzdariptir. Nanosaniye tepki hızı ve mekanik temas özelliği olmayan diyot, hızlı ve güvenilir enerji yalıtımı sağlamada önemli bir bileşen haline geldi.

3, Mikro şebekelerdeki diyotların tipik uygulama senaryoları
(1) DC bara enerjisinin tek yönlü iletimi
DC mikro şebekelerinde diyotlar, tek yönlü iletken bağlantılar oluşturmak için yaygın olarak kullanılır ve farklı voltaj seviyelerindeki baralar arasında enerji akışının kontrolünü sağlar. Örneğin:

Fotovoltaik enerji depolama sistemi: Fotovoltaik dizi, diyotlar aracılığıyla 48V DC veri yoluna güç sağlar ve enerji depolama bataryası, bir DC/DC dönüştürücü aracılığıyla aynı veri yoluna bağlanır. Fotovoltaik çıkış gücü yük talebini aştığında diyot, enerjinin fotovoltaik panele geri akmasını önleyerek ters öngerilimli ısıtma nedeniyle panelin zarar görmesini önler; Bu arada enerji depolama sistemi, çift yönlü DC/DC dönüştürücüler aracılığıyla fazla enerjiyi emer.
Birden fazla güç kaynağının paralel bağlantısı: Rüzgar güneş enerjisi depolamalı tamamlayıcı bir mikro şebekede, farklı güç kaynakları diyotlar aracılığıyla DC barasına paralel olarak bağlanır. Bir güç kaynağı arıza nedeniyle kapandığında diyot, arıza voltajının diğer güç kaynaklarını etkilemesini önlemek için veri yoluna olan bağlantısını otomatik olarak keser.
(2) İletişim tarafında enerji geri beslemesinin bastırılması
İletişim mikro şebekesinde, diyotların tristörler veya IGBT'lerle kombinasyonu, enerji geri beslemesini bastıran devreler oluşturabilir. Örneğin:

Motor tahrik sistemi: Motor frenleme durumundayken, yenilenen enerji ters paralel diyotlar aracılığıyla DC baraya geri beslenir. Bara voltajı çok yüksekse diyot, fazla enerjiyi termal enerji tüketimine dönüştürmek için frenleme direncine seri olarak bağlanır ve DC barasının aşırı gerilimini önler.
Dağıtılmış nesil şebeke bağlantısı: İnverterin çıkış ucundaki diyotlar, şebeke arızaları (voltaj dalgalanmaları gibi) durumunda enerjinin invertöre geri akmasını önleyebilir ve güç cihazlarını aşırı akım hasarından koruyabilir.
(3) Hızlı arıza izolasyonu ve koruma
Diyotların mikro şebeke arıza korumasında benzersiz avantajları vardır. Örneğin:

DC kısa-devre koruması: Bir DC mikro şebekesinde, dallardan birinde kısa devre meydana gelirse, kısa-devre akımı bir diyot aracılığıyla düşük empedanslı bir devre oluşturacaktır. Bu sırada hızlı sigorta veya devre kesici aşırı akım sinyalini tespit edip arızalı dalı kesebilir, diyot ise kısa-devre akımının diğer sağlıklı dallara geri akmasını engelleyebilir.
Topraklama hatası izolasyonu: IT topraklama sistemlerinde, izolasyon izleme devreleri oluşturmak için diyotlar kullanılabilir. Belirli bir fazda topraklama hatası oluştuğunda diyot küçük bir akım oluşturacak şekilde iletim yapar ve izleme cihazı bu akımı algılayarak arıza noktasını tespit eder. Aynı zamanda diyot, ekipmanın hasar görmesini önlemek için arıza akımının genliğini sınırlar.
4, Mühendislik uygulamalarında önemli teknik noktalar
(1) Diyot seçimi ve parametre eşleştirme
Mikro şebeke uygulamalarında diyot seçiminde aşağıdaki parametreler dikkate alınmalıdır:

Anma gerilimi: Sistemin maksimum çalışma geriliminden büyük olmalı ve %20 -%50 marj bırakmalıdır. Örneğin 400V DC'lik bir barada dayanım gerilimi 600V veya daha yüksek olan diyotlar seçilmelidir.
Anma akımı: Maksimum yük akımına ve aşırı yük kapasitesine göre seçilmesi gerekir. Örneğin, bir fotovoltaik sistemde diyotun nominal akımı, fotovoltaik dizinin kısa-devre akımından daha büyük olmalıdır.
Ters iyileşme süresi: Yüksek-frekans anahtarlama uygulamalarında (PWM modülasyonu gibi), kısa ters iyileşme süresine sahip hızlı kurtarma diyotları (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Termal direnç ve ısı dağılımı: Diyotun bağlantı sıcaklığı 150 derecenin altında kontrol edilmeli ve güç tüketimine göre uygun ısı dağıtma yöntemi (doğal soğutma, hava soğutma veya sıvı soğutma gibi) seçilmelidir.
(2) Sistem topolojisi optimizasyonu
Mikro şebekelerdeki diyotların topoloji yapısının özel gereksinimlere göre tasarlanması gerekir. Örneğin:

Seri diyot: Dayanım voltajı seviyesini iyileştirmek için kullanılır, ancak düzensiz voltaj dağılımı nedeniyle diyotun aşırı voltajın bozulmasını önlemek için voltaj dengelemeye dikkat edilmelidir.
Paralel diyot: Akım taşıma kapasitesini arttırmak için kullanılır ancak aşırı ısınmayı ve diyotun eşit olmayan akım dağılımından dolayı zarar görmesini önlemek için akım paylaşımına dikkat edilmelidir.
Diyot MOSFET/IGBT hibrit topolojisi: Çift yönlü enerji akışının gerekli olduğu senaryolarda diyot ve MOSFET/IGBT'den oluşan hibrit topoloji kullanılabilir. Örneğin, çift yönlü DC/DC dönüştürücülerde, tek yönlü iletim için diyotlar kullanılır ve ters iletim için MOSFET'ler kullanılır, böylece enerjinin çift yönlü akış kontrolü sağlanır.
(3) İşbirlikçi kontrol stratejisi
Mikro şebekelerdeki diyotların enerji yönetiminin kontrol stratejileriyle koordine edilmesi gerekir. Örneğin:

Diyotlara dayalı enerji yönetimi algoritması: DC bara voltajını ve çeşitli güç kaynaklarının çıkış gücünü izleyerek, optimum enerji tahsisini elde etmek için diyotların iletim durumunu dinamik olarak ayarlayarak.
Arıza koruma stratejisi: Diyotların iletim özelliklerine göre hızlı ve güvenilir arıza tespit ve izolasyon algoritmaları tasarlayın. Örneğin belirli bir branşta anormal bir akım tespit edildiğinde, arızanın yayılmasını önlemek için o branşın diyotu derhal kesilir.
5, Örnek olay: Ada mikro şebekelerinde diyotların uygulanması
Belirli bir adadaki mikro şebeke projesi, fotovoltaik, enerji depolama, dizel jeneratörler ve yükleri entegre eden bir DC veri yolu mimarisini benimsiyor. Enerji yönetim planı aşağıdaki gibidir:

Fotovoltaik sistem: Fotovoltaik dizi, gece veya arıza sırasında enerjinin fotovoltaik panele geri akmasını önleyen diyotlar aracılığıyla 48V DC veriyoluna güç sağlar.
Enerji depolama sistemi: Lityum piller, enerji şarj etme ve boşaltma kontrolünü sağlamak için çift yönlü bir DC/DC dönüştürücü aracılığıyla veri yoluna bağlanır.
Dizel jeneratör: Yedek güç kaynağı olarak, jeneratör kapatıldığında enerjinin baradan geri akışını önlemek amacıyla diyotlar aracılığıyla baraya bağlanır.
Yük yönetimi: DC yükleri doğrudan veri yoluna bağlanırken, AC yükleri bir invertör aracılığıyla bağlanır. İnverterin çıkış terminali, şebeke arızası durumunda enerjinin invertöre geri akmasını önlemek için diyotlarla donatılmıştır.
Bu şema, diyotlar aracılığıyla fotovoltaik, enerji depolama ve dizel jeneratörler arasında güvenli izolasyon ve tek yönlü enerji akışı sağlayarak sistem verimliliğini %92'ye çıkarır ve arıza yanıt süresini 10 μs'ye kadar kısaltır.