Diyot kısa devre veya açık devrenin enerji sistemi üzerindeki sonuçları nelerdir?

一, Diyot kısa devre arızasının zincirleme reaksiyonu
1. Kısa devre mekanizması ve tetikleme koşulları
Diyot kısa devresine genellikle talaş kırılması, ambalajın çatlaması veya kötü lehimleme neden olur. Yüksek sıcaklık ve yüksek nemli ortamlarda ambalaj malzemelerinin nem alması ve genleşmesi iç metalizasyon katmanının kırılmasına neden olabilir; Aşırı gerilim senaryolarında çığ düşmesi nedeniyle PN bağlantıları kalıcı olarak iletilebilir. Örneğin bir fotovoltaik invertör projesinde, yıldırım çarpması nedeniyle diyotun ters aşırı gerilimi nedeniyle 10 ms içinde kısa devre yaşandı.

2. Sistem düzeyinde etki
(1) Enerji iletim yolunda değişiklik
Doğrultucu devresinin arızalanması: Bir köprü doğrultucu devresinde, bir diyotun kısa devre yapması, AC ve DC tarafları arasında doğrudan iletime neden olur ve bu da transformatörün veya indüktörün doymasına yol açar. Belirli bir enerji depolama sistemi projesinin doğrultucu diyotunda meydana gelen kısa devre nedeniyle giriş akımı anma değerinin üç katına çıktı ve trafo 5 saniye içinde yandı.
Serbest dönüş devresinde kısa devre: Motor sürücüsünde veya endüktif enerji depolama devrelerinde, serbest dönüş diyotundaki kısa-devre, enerji geri besleme yoluna zarar verebilir. Örneğin, belirli bir elektrikli araç invertör projesinde, serbest diyottaki kısa devre nedeniyle, motorun arka elektromotor kuvveti doğrudan güç cihazına uygulanarak IGBT modülünün 100 μs içinde patlamasına neden olmuştur.
(2) Koruma mekanizması arızası
Anti ters koruma arızası: DC sistemlerinde, anti ters diyottaki kısa devre, güç polaritesi ters olduğunda ekipmana doğrudan zarar verebilir. Belirli bir veri merkezindeki UPS projesi, yanlış bakım sırasında doğrultucu modülünün yanmasına neden olan anti ters diyotun kısa- devresi nedeniyle 500.000 yuan'in üzerinde kayıp yaşadı.
Aşırı gerilim koruması bypass: TVS diyotunun kısa devresi, kenetleme fonksiyonunu kaybetmesine neden olacak ve aşırı gerilim doğrudan bir sonraki devreye iletilecektir. Belirli bir fotovoltaik dizi projesinde TVS diyotunun kısa devresi nedeniyle, bileşenlerin çıkış voltajı 1000V'a (600V olarak değerlendirildi) yükseldi ve bu da büyük-ölçekli invertör arızalarına neden oldu.
(3) Termal kaçak riski
Kısa devre, akım yolunda bir değişikliğe neden olur ve bu da yerel akım yoğunluğunda önemli bir artışa neden olur. Rüzgar enerjisi dönüştürücü projesinde yapılan bir test, bir diyot kısa devresinden sonra, bitişik güç cihazlarının bağlantı sıcaklığının 2 saniye içinde 85 dereceden 200 dereceye yükseldiğini ve bu durumun zincirin termal kaçmasına neden olduğunu gösterdi.

2, Diyot açık devre arızalarının sistemik tehlikeleri
1. Açık devre mekanizması ve tipik senaryolar
Açık devreye genellikle kaynak çökmesi, talaş kırılması veya kablo kırılması neden olur. Titreşim ortamlarında (elektrikli araçlar gibi), kurşun yorulma kırılması yaygın bir nedendir; Yüksek sıcaklık senaryolarında ambalajın termal genleşme katsayısı ile talaş arasındaki uyumsuzluk çatlamaya neden olabilir.

2. Sistem düzeyinde etki
(1) Enerji iletiminin kesilmesi
Doğrultma çıkış kaybı: Üç-fazlı bir doğrultma devresinde, bir diyotun açık devre olması durumunda, çıkış voltajı dalgalanmasında bir artışa neden olur. Belirli bir endüstriyel güç kaynağı projesi, diyotun açık devresi nedeniyle çıkış voltajı dalgalanmasının %5'ten %30'a çıkmasına neden oldu ve bu da yük ekipmanının yanlış çalışmasına neden oldu.
Bağlantısız serbest dönme devresi: Endüktif bir enerji depolama devresinde, açık bir serbest dönme diyotu, indüktörün enerjisinin hiçbir yerde serbest bırakılmamasına neden olarak yüksek voltaj yükselmelerine neden olabilir. Belirli bir LED sürücü projesinde, serbest diyottaki açık devre nedeniyle indüktör voltajında ​​800V'a (400V olarak derecelendirilmiş) bir artış yaşandı ve bu da MOSFET'in bozulmasına neden oldu.
(2) Koruma fonksiyonunun kaybı
Aşırı akım koruma arızası: Paralel diyot grubunda diyotlardan biri açıksa geri kalan diyotların daha büyük bir akım taşıması gerekir. Belirli bir enerji depolama bataryası dengeleme devresi projesi, bir diyotun açık devresi nedeniyle diğer diyotların aşırı yüklenmesine ve yanmasına neden oldu ve bu da batarya paketinin aşırı şarj edilmesine neden oldu.
İzolasyon fonksiyonu arızası: Fotovoltaik modül seviyesi korumasında, bypass diyotundaki açık devre, sıcak nokta etkisini arttırabilir. Belirli bir fotovoltaik enerji santrali projesinde bypass diyotunun açık devresi nedeniyle, gölge engeli altında belirli bir bileşenin sıcaklığı 150 dereceye yükselerek camın kırılmasına neden oldu.
(3) Sistem kararlılığı azalır
Açık devre, devre topolojisinde rezonans veya salınımlara yol açabilecek değişikliklere neden olabilir. Belirli bir elektrikli araç şarj modülü projesinde, LLC rezonans devresinin ayarının bozulmasına ve çıkış voltajının ± %15'ten fazla dalgalanmasına neden olarak koruyucu bir kapatmayı tetikleyen bir diyot açık devresi yaşandı.

3, Tipik enerji sistemlerindeki arızaların sonuçları
1. Fotovoltaik enerji üretim sistemi
Bileşen düzeyinde etki: Baypas diyotundaki açık devre, kısmen engellendiğinde bileşenin termal nokta sıcaklığının sınırı aşmasına neden olabilir ve bu da ambalaj malzemesinin eskimesini hızlandırır; Kısa devre DC tarafı ark hatasına neden olabilir. 5MW'lık bir fotovoltaik enerji santralinden alınan istatistiklere göre, diyot arızaları bileşen arızalarının %18'ini oluşturuyor ve bu da yıllık 500.000 kWh'nin üzerinde elektrik üretimi kaybına neden oluyor.
İnvertör seviyesi etkisi: Doğrultucu diyotun kısa devresi, kontrolsüz DC bara voltajına neden olarak IGBT modülünün patlamasına neden olabilir; Açık devre, aralıklı giriş akımına yol açarak transformatör gürültüsüne ve titreşime neden olur.
2. Enerji depolama sistemi
Akü dengeleme etkisi: Dengeleme devresi diyotundaki açık devre, akü paketindeki tutarsızlığın artmasına neden olabilir ve çevrim ömrünü kısaltabilir; Kısa devre aşırı şarja/aşırı deşarja neden olabilir. Belirli bir enerji depolama santrali projesinin dengeleme diyotunda meydana gelen bir arıza nedeniyle, batarya paketinin kapasite bozulma oranı %3/yıl'dan %8/yıl'a çıkmıştır.
DC/DC dönüşüm etkisi: Senkron doğrultucu diyotun açık devresi, verimlilikte %10'dan fazla bir azalmaya neden olabilir; Kısa devre çıkış voltajının aşılmasına neden olabilir.
3. Elektrikli araç şarj sistemi
Şarj modülü etkisi: PFC devresi diyotunun kısa devresi, giriş akımı bozulma oranının standardı aşmasına neden olarak şebeke korumasını tetikleyebilir; Açık devre, güç faktörünün 0,7'nin altına düşmesine neden olacak ve elektrik şebekesinden para cezasıyla sonuçlanacaktır.
Araç şarj cihazının etkisi: Çıkış doğrultucu diyotunun açık devresi şarjın kesintiye uğramasına neden olur; Kısa devre aküde aşırı gerilime neden olabilir. Belirli bir araç geri çağırma olayında, çıkış diyotunun kısa devre yapması riski nedeniyle 20.000'den fazla araç geri çağrıldı.
4, Arıza teşhisi ve koruma stratejisi
1. Çevrimiçi izleme teknolojisi
Gerilim/akım izleme: Hall sensörleri aracılığıyla diyot boyunca gerilim ve akımın gerçek zamanlı izlenmesi, %10'u aşan anormal bir dalgalanma olması durumunda alarmın tetiklenmesi.
Infrared temperature measurement: Infrared thermal imager is used to monitor the surface temperature of the diode. When the junction temperature exceeds the limit (such as SiC diode>175 derece), otomatik olarak kapanacaktır.
Empedans spektrum analizi: Diyotların eşdeğer seri direncini tespit etmek için yüksek-frekans sinyalleri enjekte edilerek empedans açık devrede sonsuza ve kısa devrede sıfıra yaklaşır.
2. Yedekli tasarım
Paralel yedeklilik: Kritik devrelerde birden fazla diyot paralel olarak bağlanır ve tek bir arıza durumunda sistem çalışmaya devam edebilir. Örneğin, belirli bir rüzgar enerjisi invertörü 4 paralel SiC diyot kullanır ve sistem verimliliği tek bir açık devreden sonra yalnızca %2 azalır.
Yedekleme yolu: Anti ters devrede bir diyota paralel olarak mekanik bir anahtar takın ve diyot arızalandığında otomatik olarak anahtar yoluna geçin.
3. Malzeme ve süreç iyileştirmeleri
Neme dayanıklı ambalaj: Çift 85 test (85 derece /%85 RH/1000 saat) yoluyla güvenilirliği doğrulamak için seramik veya hava geçirmez ambalaj kullanılır.
Düşük gerilimli lehimleme: Titreşim testiyle (5-2000Hz/10g gibi) yorulma direncini doğrulamak için kurşunsuz lehim ve elastik kablolar kullanın.
5, Örnek Olay İncelemesi: Açık Deniz Rüzgar Enerjisi Dönüştürücüsünde Diyot Arızası
Belirli bir açık deniz rüzgar enerjisi projesi, tayfuna eğilimli bir bölgede bulunuyor ve orijinal tasarımda sıradan silikon-bazlı diyotlar kullanılıyordu. 2 yıllık çalışmanın ardından titreşim nedeniyle birden fazla diyot ucu kırıldı (açık devre), ve tuz spreyi korozyonu nedeniyle 3 diyot kısa devre yaptı. Arızaya neden olan:

Enerji iletimi kesintisi: 12 invertör kapandı ve bu da invertör başına günlük 50 MWh'nin üzerinde güç üretimi kaybına neden oldu;
Ekipman zinciri hasarı: Kısa devreden kaynaklanan IGBT modülü patlaması, onarım maliyeti 2 milyon yuan'ı aşıyor;
Sistem kararlılığının bozulması: Açık devre, aralıklı giriş akımına neden olur ve transformatör gürültüsü 85dB'ye ulaşır (tasarım<65dB).
İyileştirme planı şunları içerir:

Cihaz yükseltmesi: SiC diyotlar ve seramik ambalajlarla değiştirin;
Yapısal güçlendirme: titreşim azaltıcı braketlerin ve üç dayanıklı kaplamanın kullanılması;
İzleme yükseltmesi: Kızılötesi sıcaklık ve titreşim sensörlerini devreye alın.
İyileştirme sonrasında sistem 3 yıl boyunca herhangi bir diyot arızası olmadan sürekli olarak çalışarak, yıllık elektrik üretiminde %12 artış ve bakım maliyetinde %70 azalma sağladı.