Diyot arızasının invertör üzerindeki etkisi nedir?

一, Diyot arızasının türleri ve fiziksel mekanizmaları
Diyot bozulması iki türe ayrılabilir: elektriksel bozulma ve termal bozulma ve bunların fiziksel mekanizmaları malzeme özellikleri, doping konsantrasyonu, sıcaklık ve diğer faktörlerle yakından ilişkilidir.

1. Elektrik arızası: tersine çevrilebilir bir fiziksel süreç
Elektrik arızası iki mekanizma içerir: Zener arızası ve çığ arızası

Zener bozulması: tükenme katmanı genişliğinin son derece dar olduğu yüksek katkılı PN bağlantılarında (voltaj regülatörleri gibi) meydana gelir (<1 μ m). Under the action of reverse voltage, a strong electric field directly pulls out the valence electrons in covalent bonds, forming electron hole pairs, resulting in a sharp increase in reverse current. Zener breakdown voltage is usually below 4V and has a negative temperature coefficient (breakdown voltage decreases with increasing temperature).
Avalanche breakdown: commonly seen in low doped PN junctions, with a wide depletion layer (>10 mikron). Ters voltaj azınlık taşıyıcılarını hızlandırır, bunların kafesle çarpışmasına ve yeni taşıyıcılar oluşturmasına neden olarak çığ zincirleme reaksiyonu oluşturur. Çığ kırılma voltajı genellikle 6V'tan yüksektir ve pozitif bir sıcaklık katsayısına sahiptir (kırılma voltajı sıcaklıkla birlikte artar).
Elektrik arızası esasen geri dönüşümlü bir fiziksel süreçtir.

2. Termal bozulma: Geri dönüşü olmayan yıkıcı arıza
Elektrik arızasından sonra ters akım artmaya devam ettiğinde veya devrede sonsuz akım önlemleri alındığında PN bağlantı noktasının güç tüketimi sınır değeri aşarak bağlantı sıcaklığının keskin bir şekilde yükselmesine neden olur. Bu noktada, kovalent bağdaki değerlik elektronları atomik kısıtlamalardan kurtulmak için yeterli enerjiyi kazanır, çok sayıda serbest elektron deliği çifti oluşturur, mevcut büyümeyi daha da şiddetlendirir ve pozitif bir geri besleme döngüsü oluşturur. Sonunda, PN bağlantısı aşırı ısınma nedeniyle erir ve termal bozulma olarak bilinen kalıcı bir kısa devre oluşur. Termal bozulma geri döndürülemez ve diyot işlevini tamamen kaybedecektir.

2, Diyot arızasının invertörlere doğrudan zararı
İnvertörlerdeki diyotlar esas olarak düzeltme, serbest bırakma ve kenetleme için kullanılır ve arızaları farklı yollarda hatanın yayılmasına neden olabilir.

1. Diyot arızasının düzeltilmesi: güç kısa devresi ve kapasitör patlaması
Fotovoltaik invertörlerde veya endüstriyel güç kaynaklarında doğrultucu köprüsü 6 diyottan (3 ortak katot ve 3 ortak anot) oluşur. Tek bir diyot kısa devre oluşturacak şekilde termal olarak bozulursa, DC barasının pozitif ve negatif kutuplarının doğrudan iletilmesine neden olacak ve güç kısa devresine yol açacaktır. Bu noktada filtreleme kondansatörü aşırı akım nedeniyle hızla ısınarak elektrolitin buharlaşmasına ve genleşmesine neden olur ve bu da patlamaya neden olabilir. Örneğin, belirli bir fotovoltaik güç istasyonunda doğrultucu diyotun bozulması, DC tarafındaki kapasitörün patlamasına neden oldu, bu da tüm invertör modülünün hurdaya çıkmasına ve 100.000 yuan'ın üzerinde doğrudan ekonomik kayba neden oldu.
2. Kelepçe diyot arızası: Bara voltajı kontrolden çıktı
Çok-seviyeli invertörlerde, DC bara voltajındaki dalgalanmaları sınırlamak için kelepçe diyotları kullanılır. Sıkıştırma diyotu bozulursa, veri yolu voltajı IGBT dayanım voltajı aralığını aşarak zincirin bozulmasına neden olabilir. Örneğin, bir orta gerilim frekans dönüştürücüsünde kelepçe diyotta bir arıza meydana geldi ve DC bara voltajının 600V'tan 900V'a yükselmesine neden oldu, bu da 12 IGBT modülün tamamında hasara ve sistemin 72 saate kadar kapanma süresine neden oldu.

3, Diyot arızasının sistem düzeyinde etkileri
1. Elektromanyetik girişim (EMI) ve sinyal bozulması
Bir diyot bozulduğunda, kısa-devre akımındaki hızlı değişiklik, parazitik kapasitans yoluyla kontrol devresine bağlanan ve IGBT sürücü sinyalinin bozulmasına neden olan yüksek-frekanslı elektromanyetik girişim üretecektir. Rüzgar enerjisi dönüştürücü durumunda, serbest dönen diyotun arızalanmasının neden olduğu EMI girişimi, IGBT sürücü sinyalinde 10 μs'lik darbe kaybına yol açarak motor torkunun %20'nin üzerinde dalgalanmasına ve mekanik bir titreşim alarmının tetiklenmesine neden oldu.
2. Koruma devresinin yanlış çalışması ve sistemin felce uğraması
Modern invertörler genellikle aşırı akım, aşırı gerilim ve aşırı sıcaklık koruma fonksiyonlarıyla donatılmıştır. Ancak diyot arızası koruma devresinin yanlış değerlendirilmesine yol açabilir:
Aşırı akım korumasının yanlış çalışması: Kısa devre akımı, yükteki ani bir değişiklikle karıştırılabilir, akım sınırlama korumasını tetikleyebilir ve sistemin güç kaybı çalışmasına neden olabilir;
Aşırı gerilim koruma arızası: Kelepçe diyotu bozulursa, veri yolu gerilimi izleme noktası arızalanır ve aşırı gerilim koruması etkinleştirilemez;
Aşırı sıcaklık koruma gecikmesi: Diyot arıza noktasındaki sıcaklık, sensör izleme noktasındaki sıcaklıktan daha yüksek olabilir ve bu da aşırı sıcaklık korumasının tetiklenmesinde gecikmeye neden olabilir.
Belirli bir demiryolu geçişinde çekiş invertörünün olması durumunda, doğrultucu diyotun arızalanması, aşırı akım korumasının yanlış çalışmasına neden oldu ve bu da sistemin sık sık güç kaybıyla çalışmasına neden oldu. Sonunda ısı birikimi nedeniyle IGBT modülü patladı ve tren 12 saat süreyle durduruldu.
4, Koruma Stratejisi ve Güvenilirlik Tasarımı
1. Devre tasarımı: artıklık ve akım sınırlama
Yedekli tasarım: Doğrultucu köprüsünde "N+1" yedekli konfigürasyon benimsenmiştir; bu, ek diyotların paralel bağlandığı anlamına gelir. Tek bir diyot arızalandığında sistem yine de düşük kapasitede çalışabilir;
Akım sınırlama direnci: Tepe kısa-devre akımını sınırlamak için diyot boyunca küçük direnç dirençlerini (0,1 Ω/5W gibi) seri olarak bağlayın;
RC tampon devresi: Kapatma aşırı gerilimini absorbe etmek ve diyotun ters gerilimini azaltmak için IGBT diyot paralel devresine bir RC tampon devresi (C=0.1 μ F, R=10 Ω gibi) ekleyin.
2. Sistem izleme: gerçek-zamanlı teşhis ve tahmine dayalı bakım
Kızılötesi termal görüntüleme tespiti: Sıcaklık 15 derecelik nominal değeri aştığında bir alarmı tetikleyen, kızılötesi termal görüntüleme cihazı aracılığıyla diyot kabuk sıcaklığının gerçek zamanlı izlenmesi;
Elektriksel parametre izleme: Akım sensörleri (Hall sensörleri gibi) aracılığıyla diyot akımının gerçek zamanlı izlenmesi ve akım, nominal değerin 1,2 katını aştığında koruma etkinleştirilir;
Yapay zeka hata tahmini: Diyotların kalan ömrünü (RUL) tahmin etmek ve yüksek-riskli bileşenleri önceden değiştirmek için makine öğrenimi modellerini geçmiş verilere dayalı olarak eğitin.