Kuidas isoleerivad dioodid kohalikud ahelad elektrivõrgu rikete ajal?

一, Dioodi rikke eraldamise füüsiline mehhanism
Dioodi PN-siirde struktuur annab sellele loomuliku voolublokeerimisvõime. Kui elektrivõrgus tekib lühis, langeb pinge rikkepunktis järsult, moodustades vastupidise eelpingega elektrivälja. Sel ajal läheb diood väljalülitusolekusse ja vastupidine takistus võib ulatuda megaoomi tasemeni. Võttes näiteks fotogalvaanilise võrguga ühendatud süsteemi, kui alalisvoolu poolel tekib pooluste vaheline lühis, talub fotogalvaanilise mooduli mõlema otsaga paralleelselt ühendatud Schottky diood (nt SB560, päripinge langusega 0,5 V) vastupinget üle 1000 V ja täieliku voolu blokeerimise suurusjärk on kolm μs. kui traditsioonilised releeskeemid.

Sidesüsteemides on dioodide isolatsiooniomadused tihedalt seotud rikke tüübiga. Kui ilmneb ühefaasiline maandusrike, tõuseb tõrkevälise faasi pinge liinipinge tasemele. Sel ajal saab lülitusseadme mõlema otsaga paralleelselt ühendatud kiire taastamise diood (nt FR307, vastupidine taastumisaeg 100 n) tõhusalt ära hoida kondensaatori ülelaadimist. Tenneti ± 500kV alalisvoolu ülekandeprojekti Saksamaal andmetel vähenes pärast selle skeemi kasutuselevõttu alammooduli kondensaatori pinge kõikumiste vahemik ± 15%-lt ± 3%-le ja süsteemi efektiivsus paranes 1,2 protsendipunkti.

2, tüüpiliste rikkestsenaariumide isoleerimine
1. Alalisvoolu jaotussüsteemi rikete tsoneerimine
Dioodipõhises alalisvoolujaotussüsteemis, kui liinis tekib püsiv kahepooluseline lühis, tõuseb vigase liini algvool kiiresti 8,3 kA-ni, samas kui klemmivool väheneb 0-ni 1 ms jooksul dioodi vastupidise väljalülituskarakteristiku tõttu. Li Bini meeskonna poolt Tianjini ülikoolis läbi viidud uuringud näitavad, et see skeem võib piirata kahe muunduri jaama vahelise rikete mõju ulatust, vähendades seda 60% võrreldes traditsiooniliste skeemidega ja lühendades pingelanguse aega 200 ms-lt 20 ms-le, parandades oluliselt toiteallika töökindlust.

Konkreetse teostuse korral on iga alalisvoolu siini segment varustatud anti-paralleeldioodi mooduliga. Kui rikkevool ületab läve, katkestab kiirlülitusseade tõrketee 100 μs jooksul ja diood moodustab automaatselt isolatsioonibarjääri. Pärast selle tehnoloogia kasutuselevõttu suurendas Huawei SUN2000-125KTL fotogalvaaniline inverter oma elektritootmist osaliselt tõkestatud stsenaariumide korral 9,3%, Euroopa efektiivsusega 98,8%.

2. Modulaarne mitmetasandiline muunduri kaitse
MMC alammoodulis moodustavad dioodid ja IGBT-d kahesuunalise blokeerimisstruktuuri. Kui alammooduli kondensaatori pinge tasakaalustamatus ületab 10%, tekib järjestikku ühendatud ränikarbiiddioodil (nt C3D06060A) päripinge langus 1,3 V@10A. Võib ära hoida kondensaatori ülelaadimist. Pärast selle skeemi kasutuselevõttu vähendas Siemensi SICAM AIS võrgustabilisaator alammooduli lülituskadusid 40% ja süsteemi reaktsiooniaega 10 ms-lt 3 ms-ni.

Inseneripraktikas tuleb arvestada dioodide vastupidise taastumisomadustega. Kiire taastamise dioodide (näiteks FR307) kasutamine võib tavaliste alalditega võrreldes vähendada IGBT lülituskadusid 35%. ABB Power Grid seeria intelligentsed eraldusdioodid jälgivad reaalajas ristmiku temperatuuri, voolu ja muid parameetreid sisseehitatud-andurite kaudu, hoiatades võimalikest riketest 0,5 ms ette ja suurendades keskmist aega süsteemi rikete vahel 200 000 tunnini.

3. Hajutatud toiteallikate üleliigne disain
String-fotogalvaanilistes inverterites saavutavad mitmed MPPT-kanalid võimsuse koondamise dioodide või paisuahelate kaudu. Kui teatud kanali väljundvõimsus väheneb varju takistuse tõttu, lülitub Schottky diood (näiteks MBR2045CT, päripinge langusega 0,32 V) automaatselt tervele kanalile. Katsed on näidanud, et see skeem võib suurendada fotogalvaaniliste massiivide energiatootmist 8–12%, eriti osaliselt takistatud stsenaariumide korral, kus eelised on märkimisväärsed.

Tesla Megapacki energiasalvestussüsteem kasutab integreeritud isolatsiooniskeemi ja ideaalne MOSFET-il põhinev dioodikontroller (nt LM5050) saavutab nulli tagasipööratud taastumisaja. See skeem vähendab akuklastrite vahelist isolatsioonikadu 2,5 W-lt 0,3 W-le, parandab süsteemi tsükli efektiivsust 0,2 protsendipunkti võrra ja vähendab juhtivuspinge langust 0,05 V võrra 90% võrreldes traditsiooniliste dioodidega.

3, inseneri optimeerimise ja jõudluse parandamise strateegiad
1. Väikeste kadudega komponentide valik
Traditsiooniliste ränidioodide juhtivuse kadu on muutunud kõrgsageduslike{0}}rakenduste kitsaskohaks. Ränikarbiidi Schottky dioodide kasutamine võib vähendada juhtivuskadusid 60%. 100 kW võimsusega fotogalvaanilises inverteris vähendab see skeem dioodikadusid 120 W-lt 48 W-le ja parandab süsteemi efektiivsust 0,05 protsendipunkti võrra. EPC ettevõtte käivitatud EPC2054 GaN dioodil on 10A voolu juures ainult 0,2 V edasimineku pingelang, mis on 85% madalam kui SiC seadmetel.

2. Soojusjuhtimise optimeerimine
Suure võimsusega{0}}rakenduste puhul on dioodide ristmiku temperatuuri reguleerimine ülioluline. Komposiitsoojuse hajutamise skeem, mis kasutab soojust juhtivat silikoonmääret (soojustakistus 0,5 kraadi /W) ja alumiiniumist aluspinda (soojustakistus 1 kraadi /W), võib 100A voolu all vähendada ristmiku temperatuuri 125 kraadilt 85 kraadini, pikendades seadme eluiga rohkem kui kolm korda. Huawei inverterid kasutavad vedelikjahutustehnoloogiat, et juhtida dioodi ristmiku temperatuuri 105 kraadi piires ja suurendada võimsustihedust 1,2 kW/kg-ni.

3. Elektromagnetilise ühilduvuse disain
Dioodlülitite tekitatud di/dt müra tuleb summutada RC puhverahelaga. 10 kW inverteris võib puhverahel, mis kasutab 0,1 μF kilekondensaatoreid ja 10 Ω takisteid, vähendada pinge ületamist 50 V-lt 5 V-le, mis vastab IEC 61000-4-5 elektromagnetilise ühilduvuse standardile. Siemensi SIRIUS-seeria intelligentne isolatsioonidiood summutab sisseehitatud RC-võrgu kaudu lülitimüra alla 20 dB.

4, Frontier tehnoloogia suundumused
1. Laia ribalaiusega pooljuhtide rakendused
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1 GHz), asendavad järk-järgult räniseadmeid tipptasemel-seadmetes, nagu 5G tugijaamade toiteallikad ja kosmosetööstuse toiteallikad. EPC ettevõtte käivitatud EPC2054 GaN dioodil on 10A voolu juures ainult 0,2 V edasimineku pingelang, mis on 85% madalam kui SiC seadmetel.

2. Intelligentse isolatsioonitehnoloogia integreerimine
Nutikas dioodmoodul koos digitaalse juhtimistehnoloogiaga võib saavutada dünaamilise pingelanguse kompenseerimise ja rikke ennustamise. Ettevõtte ABB käivitatud Power Grid seeria intelligentsed isolatsioonidioodid jälgivad reaalajas ristmiku temperatuuri, voolu ja muid parameetreid sisseehitatud-andurite kaudu ning hoiatavad võimalike rikete eest 0,5 ms ette, suurendades süsteemi keskmist tõrkevaba aega 200 000 tunnini.

5, tööstuse rakendusjuhtumid
1. Tenneti alalisvoolu ülekande projekt Saksamaal
± 500kV alalisvoolu ülekandeprojektis vähendab ränikarbiiddioodmooduleid kasutav MMC alammoodul alammooduli kondensaatori pinge kõikumise vahemikku ± 15%-lt ± 3%-le ja parandab süsteemi efektiivsust 1,2 protsendipunkti võrra. Selle projekti aastane ülekandevõimsus ulatub 12 miljardi kilovatttunnini, mis võrdub standardse kivisöe tarbimise vähendamisega 3,6 miljoni tonni võrra.

2. Tesla Megapack energiasalvestussüsteem
GaN dioodidel põhinev akuklastri isolatsiooniskeem parandab süsteemi tsükli efektiivsust 0,2 protsendipunkti võrra, vähendades samal ajal juhtivuspinge langust 90% võrreldes traditsiooniliste dioodidega 0,05 V juures. Süsteem on ülemaailmselt kasutusele võetud üle 10 GWh, toetades taastuvenergia tarbimist.