Как диодите извършват управление на посоката на сигнала в електрическата мрежа?

一, Физическата основа на еднопосочната проводимост на диодите
Структурата на сърцевината на диода е PN преход, който образува изчерпана област на кръстовището на полупроводник тип P- (богат на дупки) и полупроводник тип N- (богат на електрони). Когато диодът е предубеден (с терминал P, свързан към положителния електрод и терминал N, свързан към отрицателния електрод), областта на изчерпване се стеснява и носителите текат свободно, образувайки път с ниско съпротивление; Когато е обратно предубедено, зоната на изчерпване се разширява, позволявайки да премине само микроамперен ток на утечка, което представлява състояние с високо съпротивление. Тази характеристика прави диодите естествен "електронен вентил", който може точно да контролира посоката на тока.

Ключови параметри:

Право падане на напрежението (VF): около 0,6-0,7 V за силициеви диоди и едва 0,15-0,4 V за диоди на Шотки.
Време за обратно възстановяване (TRR): Обикновените диоди имат време за възстановяване от няколкостотин наносекунди, диодите с бързо възстановяване могат да бъдат съкратени до десетки наносекунди, а диодите на Шотки имат време за възстановяване почти нула.
Обратно напрежение на пробив (VRRM): Определя максималното обратно напрежение, което един диод може да издържи, и е ключов индикатор за избор в приложения на електрическата мрежа.
2, Типични сценарии за приложение на управление на посоката на сигнала на електрическата мрежа
1. Коригиране и система за захранване с постоянен ток
В връзката за предаване на постоянен ток на електрическата мрежа диодните токоизправителни мостове (като три-фазни пълни мостове) преобразуват променливия ток в постоянен ток, осигурявайки основата за пренос на постоянен ток с високо-напрежение (HVDC). Например, в проекти за постоянен ток с ултра{4}}високо напрежение ± 800kV, диодните токоизправители трябва да издържат хиляди ампера ток и няколко мегаволта напрежение, а характеристиките им за обратно възстановяване влияят пряко върху ефективността на системата.

Стратегия за оптимизация:

Използване на диоди за бързо възстановяване (FRD) или диоди от силициев карбид (SiC) за намаляване на загубите при обратно възстановяване.
Чрез използване на технология за паралелно споделяне на ток за разпръскване на ток и подобряване на надеждността на устройството.
2. Насочена изолация при интегрирането на нова енергия в мрежата
Във фотоволтаичните инвертори и преобразувателите на вятърна енергия диодите се използват за предотвратяване на обратно захранване към мрежата. Например, фотоволтаичните масиви са свързани към инвертори чрез диоди. Когато електрическата мрежа се повреди или инверторът се изключи, диодите автоматично блокират обратния ток, предпазвайки оборудването от повреда.

Анализ на случая:
10MW фотоволтаична електроцентрала приема модулен паралелен дизайн, като всеки фотоволтаичен клон е свързан последователно с диоди. Действителните данни от теста показват, че когато напрежението на мрежата падне до 30%, диодът може бързо да блокира обратния ток, осигурявайки стабилно DC напрежение на инвертора и избягвайки пренапрежение на оборудването.

3. Релейна защита и изолация на повреди
В устройството за релейна защита на електрическата мрежа диодите се комбинират с устройства като тиристори и IGBT за постигане на бързо прекъсване-на токовете на повреда. Например прекъсвачите за постоянен ток използват обратната блокираща характеристика на диодите, за да изолират дефектния клон в случай на повреда, като предотвратяват разпространението на повредата.

Технологичен пробив:
DC прекъсвач, базиран на SiC MOSFET и диоден хибрид, може да изключи хиляди ампера ток на повреда в рамките на 5ms, със скорост на реакция повече от 10 пъти по-бърза от традиционните механични прекъсвачи.

4. Модулация на сигнала и комуникация
В комуникациите с електропроводи (PLC) диодите се използват за модулация и демодулация на сигнала. Например чрез използване на диодна верига за откриване за извличане на високо-честотни комуникационни сигнали може да се постигне-предаване на данни от електрическата мрежа в реално време.

Пример за приложение:
При изграждането на „Ubiquitous Power Internet of Things“ на държавната мрежа PLC модулите, използващи технология за откриване на диоди, могат да постигнат 1Mbps предаване на данни по 10kV разпределителни линии с процент на грешки по-малък от 10 ^ -6.

3, Предизвикателства и стратегии за оптимизация в приложенията на електрическата мрежа
1. Проблеми с надеждността при сценарии с високо-напрежение и висок ток
При предаване на постоянен ток с ултра{0}}високо напрежение диодите трябва да издържат на десетки хиляди ампера ток и няколко мегаволта напрежение и техните характеристики за обратно възстановяване може да причинят пикове на напрежението, водещи до повреда на устройството.

Решение:

Избор на устройство: SiC диодите са предпочитани, тъй като имат 90% по-кратко време за обратно възстановяване и 50% намаление на загубата на проводимост в сравнение със силициевите диоди.
Дизайн на абсорбционната верига: Паралелната RC буферна верига е свързана в двата края на диода, за да потисне пиковете на напрежението. Например, в проект за ± 1100 kV DC, пиковото напрежение беше намалено от 2,1 пъти номиналната стойност до 1,3 пъти чрез оптимизиране на RC параметрите.
2. Потискане на електромагнитни смущения (EMI).
Високочестотните-трептения, генерирани по време на процеса на обратно възстановяване на диодите, може да причинят електромагнитни смущения и да попречат на комуникационното оборудване на електрическата мрежа.

Мерки за оптимизация:

Оптимизиране на оформлението: Скъсете дължината на диодните проводници и намалете паразитната индуктивност.
Дизайн на филтъра: Добавете индуктивност в общ режим и Y кондензатор към изходния терминал на диода, за да потиснете високо{0}}честотния шум. Действителното тестване показва, че оптимизираният интензитет на EMI излъчване е намален с 15 dB.
3. Управление на температурата и продължителността на живота
Работната среда на оборудването на електрическата мрежа е сложна и високите температури могат да причинят повишаване на температурата на диодния преход и стареене на компонентите на ускорителя.

Технически път:

Термичен дизайн: използване на радиатори и технология за течно охлаждане за контролиране на температурата на свързване под 150 градуса.
Прогноза за живота: Въз основа на температурата на свързване и модела на текущото напрежение, установете алгоритъм за прогнозиране на живота на диода, за да постигнете превантивна поддръжка.