Как да се постигне токова изолация на диоди в много-стъпални инверторни системи?

一, Физическата основа на изолацията на диодния ток
Способността за изолиране на сърцевината на диодите идва от еднопосочната проводимост на PN преходите. Когато са предубедени, дупките в областта P и електроните в областта N дифундират, за да образуват път с ниско съпротивление, а съпротивлението при включване може да бъде толкова ниско, колкото 0,1 Ω; Когато е обратно предубедено, ширината на изчерпващия слой се разширява с увеличаване на напрежението, образувайки изолация с висок импеданс на ниво мегаом и блокира възможността за обратен ток до микроамперно ниво. Тази асиметрична проводяща характеристика го прави естествено изолиращо устройство за ток.

В много{0}}стъпална инверторна система диодите постигат междустепенна изолация чрез изграждане на еднопосочен път на тока. Например, в дву-стъпален фотоволтаичен инвертор, изолационният диод, свързан паралелно на изхода на предния-край DC/DC преобразувател, може да предотврати обратен поток на тока, причинен от неизправности в задния-инвертор и да защити предните-захранващи устройства. Експерименталните данни показват, че при използване на сигнален диод 1N4148, обратният ток на утечка е само 0,1 μA при обратно напрежение от 50V, а ефективната изолация надвишава 99,999%.

2, Типични изолационни приложения в много-стъпални инверторни системи
1. Избор на захранващ път за каскадни H-мостови инвертори
В каскаден H-мост STATCOM (Статичен синхронен компенсатор) всеки H-мостов модул е ​​свързан паралелно чрез страничен DC кондензатор. Когато възникне повреда в късо съединение на DC страничен кондензатор в определено устройство, диодите на Шотки (като SB560, с преден спад на напрежението от 0,5 V), свързани паралелно към двата края на кондензатора, могат автоматично да блокират разпространението на тока на повреда към други здрави устройства. Симулацията показва, че тази схема позволява на системата да завърши изолирането на грешката в рамките на 0,1 ms, което е с три порядъка по-бързо от традиционните релейни схеми по отношение на скоростта на реакция.

2. Подмодулна изолация на модулен многостепенен преобразувател (MMC)
Подмодулът MMC приема структура на половин мост. Когато напрежението на кондензатора на подмодула е небалансирано, последователно свързаният диод за бързо възстановяване (като RF306, време за обратно възстановяване от 35 ns) може да предотврати презареждането на кондензатора. Според данните от проекта на Tennet за ± 500 kV DC предаване в Германия, след приемането на тази схема, диапазонът на колебание на напрежението на кондензатора на подмодула намалява от ± 15% на ± 3%, а ефективността на системата се подобрява с 1,2 процентни пункта.

3. Излишно захранване за инвертори, свързани с фотоволтаична мрежа
В струнните фотоволтаични инвертори се използват множество MPPT (проследяване на максималната мощност) канали за постигане на излишък на захранване чрез диоди или вериги на затвори. Когато изходната мощност на определен канал намалее поради запушване на сянка, диодът на Шотки (като MBR2045CT, с преден спад на напрежението от 0,32 V) автоматично превключва към здравия канал, за да осигури стабилна изходна мощност. Тестовете показват, че тази схема може да увеличи генерирането на електроенергия от фотоволтаични масиви с 8% -12%, особено при сценарии с частично блокиране, където предимствата са значителни.

3, Инженерна оптимизация и стратегии за подобряване на производителността
1. Избор на диоди с малки загуби
Намаляването на напрежението (0,6-0,7 V) на традиционните силициеви диоди може да причини значителни загуби при приложения с голям ток. Използването на диоди от силициев карбид (SiC) на Шотки (като C3D06060A, спад на напрежението) 1,3 V@10 A) може да намали загубата на проводимост с 60%. В 100kW фотоволтаичен инвертор тази схема намалява диодните загуби от 120W на 48W и подобрява ефективността на системата с 0,05 процентни пункта.

2. Оптимизация на функцията за обратно възстановяване
При приложения с високо{0}}честотни превключватели времето за обратно възстановяване (trr) на диодите влияе пряко върху загубите при превключване. Използването на диоди с бързо възстановяване (като FR307, trr=100ns) може да намали загубите при превключване на IGBT с 35% в сравнение с обикновените токоизправители (trr=500ns). След приемането на тази схема, ефективността при пълно натоварване на инверторите от серията Siemens SIRIUS се увеличи от 98,2% на 98,7%.

3. Интегрирано решение за изолация
Идеалният диоден контролер, базиран на MOSFET (като LM5050), постига нулево време за обратно възстановяване чрез активно управление. В системата за съхранение на енергия Megapack на Tesla това решение намалява загубата на изолация между клъстерите от 2,5 W на 0,3 W и подобрява ефективността на системния цикъл с 0,2 процентни пункта. В същото време неговият спад на напрежението на проводимост от 0,05 V е намален с 90% в сравнение с традиционните диоди, което значително подобрява ефективността на преобразуване на енергия.

4, Гранични технологични тенденции
1. Приложение на широкозонни полупроводникови устройства
Gallium nitride (GaN) diodes are gradually replacing silicon devices in high-end fields such as 5G base station power supplies and aerospace power supplies due to their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz). EPC2054 GaN диодът, лансиран от компанията EPC, има спад на напрежението от само 0,2 V при 10 A ток, което е с 85% по-ниско от SiC устройствата.

2. Интегриране на интелигентна изолационна технология
Интелигентният диоден модул, комбиниран с цифрова технология за управление, може да постигне динамична компенсация на спада на напрежението и прогнозиране на повреда. Серията Power Grid от интелигентни изолационни диоди, стартирана от компанията ABB, следи параметри като температура на свързване и ток в реално време чрез вградени-сензори и предупреждава за потенциални повреди 0,5 ms предварително, увеличавайки средното време на системата между отказите (MTBF) до 200 000 часа.

5, Ключови съображения в инженерната практика
1. Дизайн за съвпадение на параметри
Изборът на диоди изисква цялостно разглеждане на падането на напрежението в посока напред (Vf), времето за обратно възстановяване (trr), максималното обратно напрежение (VRRM) и номиналния ток (IF). Например, в 1500V фотоволтаична система трябва да се изберат диоди с VRRM по-голямо или равно на 1800V и трябва да се запази 30% токов марж.

2. Оптимизиране на топлинното управление
При приложения с висока-мощност контролът на температурата на диодния преход е от решаващо значение. Композитната схема за разсейване на топлината, използваща термопроводима силиконова грес (термично съпротивление 0,5 градуса /W) и алуминиев субстрат (термично съпротивление 1 градус /W) може да намали температурата на свързване от 125 градуса на 85 градуса при 100A ток, удължавайки живота на устройството с повече от три пъти.

3. Дизайн за електромагнитна съвместимост
Di/dt шумът, генериран от диодни превключватели, трябва да бъде потиснат от RC буферна верига. В инвертор от 10kW, буферна верига, използваща филмови кондензатори от 0,1 μF и резистори от 10 Ω, може да намали превишаването на напрежението от 50V на 5V, отговаряйки на стандарта за електромагнитна съвместимост IEC 61000-4-5.

6, Случаи на приложение в индустрията
1. Фотоволтаичен инвертор Huawei SUN2000-125KTL
Този продукт приема каскадна топология на H-мост, като всеки изход на H-мост е свързан паралелно с диод за бързо възстановяване (BYV29-1000, trr=50ns) за постигане на изолация на тока между каскадите. Действителните данни от тестовете показват, че при сценарии с частично блокиране, генерирането на енергия от системата се увеличава с 9,3% в сравнение с традиционните решения, а ефективността в Европа достига 98,8%.

2. Стабилизатор на мрежата Siemens SICAM AIS
В STATCOM приложенията устройството използва диодни модули от силициев карбид (C4D20120D), за да намали загубите при превключване на подмодули с 40%. Действителното измерване на германската електрическа мрежа показва, че времето за реакция на системата е съкратено от 10 ms на 3 ms, а динамичният капацитет за поддържане на реактивна мощност е увеличен три пъти.