Какво е въздействието на повредата на диода върху инвертора?

一, Видове и физически механизми на повреда на диода
Разрушаването на диодите може да бъде разделено на два вида: електрическо разрушаване и термично разрушаване и техните физически механизми са тясно свързани със свойствата на материала, концентрацията на допинг, температурата и други фактори.

1. Електрически пробив: обратим физически процес
Електрическата повреда включва два механизма: повреда на Zener и лавинна повреда

Пробив на Zener: възниква в силно легирани PN преходи (като регулатори на напрежение), където ширината на слоя на изчерпване е изключително тясна (<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 μm). Обратното напрежение ускорява малцинствените носители, карайки ги да се сблъскат с решетката и да генерират нови носители, образувайки лавинообразна верижна реакция. Лавинното напрежение на пробив обикновено е по-високо от 6V и има положителен температурен коефициент (напрежението на пробив нараства с температурата).
Електрическият срив е по същество обратим физически процес.

2. Термична повреда: необратима катастрофална повреда
Когато обратният ток продължава да нараства след електрическа повреда или когато във веригата се предприемат мерки за безкраен ток, консумацията на енергия на PN прехода надвишава граничната стойност, което води до рязко покачване на температурата на прехода. В този момент валентните електрони в ковалентната връзка получават достатъчно енергия, за да се освободят от атомните ограничения, образувайки голям брой двойки свободни електронни дупки, допълнително влошавайки текущия растеж и образувайки положителна обратна връзка. В крайна сметка PN преходът се стопява поради прегряване, образувайки постоянно късо съединение, известно като термично разпадане. Термичната повреда е необратима и диодът напълно ще загуби функцията си.

2, Директно увреждане на инверторите от повреда на диод
Диодите в инверторите се използват главно за коригиране, свободно завъртане и затягане и тяхната повреда може да причини разпространение на повреда по различни пътища.

1. Повреда на изправителния диод: захранващо късо съединение и експлозия на кондензатор
При фотоволтаични инвертори или индустриални източници на енергия токоизправителният мост се състои от 6 диода (3 общи катода и 3 общи анода). Ако един диод бъде термично разбит, за да образува късо съединение, това ще доведе до директно провеждане на положителните и отрицателните полюси на DC шината, което ще доведе до късо съединение в захранването. В този момент филтриращият кондензатор бързо се нагрява поради свръхток, което води до изпаряване и разширяване на електролита, което може да доведе до експлозия. Например, в определена фотоволтаична електроцентрала повредата на токоизправителния диод е причинила експлодиране на страничния DC кондензатор, което е довело до бракуване на целия инверторен модул и пряка икономическа загуба от над 100 000 юана.
2. Повреда на клемния диод: напрежението на шината извън контрол
В много{0}}степенните инвертори диодите с клеми се използват за ограничаване на колебанията в напрежението на DC шината. Ако затягащият диод се повреди, напрежението на шината може да надхвърли диапазона на издържано напрежение на IGBT, причинявайки повреда на веригата. Например, честотен преобразувател със средно напрежение претърпя повреда на клемния диод, което доведе до скок на напрежението на DC шината от 600V до 900V, което доведе до повреда на всички 12 IGBT модула и време за изключване на системата до 72 часа.

3, Ефекти на системно ниво от повреда на диод
1. Електромагнитни смущения (EMI) и изкривяване на сигнала
Когато диод се повреди, бързата промяна в тока на късо-веригата ще генерира високо{1}}честотни електромагнитни смущения, които се свързват с управляващата верига чрез паразитен капацитет и причиняват изкривяване на IGBT задвижващия сигнал. В случай на преобразувател на вятърна енергия, EMI смущенията, причинени от повредата на диода за свободен ход, доведоха до загуба на импулс от 10 μs на IGBT задвижващия сигнал, причинявайки флуктуация на въртящия момент на двигателя над 20% и задействане на механична вибрационна аларма.
2. Неправилно функциониране на веригата за защита и парализа на системата
Съвременните инвертори обикновено са оборудвани с функции за защита от свръхток, пренапрежение и прегряване. Повредата на диода обаче може да доведе до погрешна преценка на защитната верига:
Неправилно функциониране на защитата срещу свръхток: Токът на късо съединение може да бъде сбъркан с внезапна промяна в товара, задействайки защита за ограничаване на тока и причинявайки намаляване на мощността на системата;
Неизправност на защитата от пренапрежение: Ако клещият диод се повреди, точката за наблюдение на напрежението на шината се проваля и защитата от пренапрежение не може да се активира;
Забавяне на защитата от прегряване: Температурата в точката на повреда на диода може да е по-висока от температурата в точката за наблюдение на сензора, което води до забавяне на задействането на защитата от прегряване.
В случай на тягов инвертор при определен железопътен транспорт, повредата на токоизправителния диод е причинила неправилно функциониране на защитата срещу свръхток, което води до често намаляване на работата на системата. В крайна сметка, поради натрупване на топлина, IGBT модулът избухна и влакът беше спрян за 12 часа.
4, Стратегия за защита и проектиране на надеждност
1. Дизайн на веригата: резервиране и ограничаване на тока
Излишен дизайн: В токоизправителния мост е приета резервна конфигурация "N+1", което означава, че допълнителни диоди са свързани паралелно. Когато един диод се повреди, системата все още може да работи с намален капацитет;
Резистор за ограничаване на тока: Свържете резистори с малко съпротивление (като 0,1 Ω/5W) последователно през диода, за да ограничите пиковия ток на късо{2}}верига;
RC буферна верига: Добавете RC буферна верига (като C=0.1 μ F, R=10 Ω) към паралелната верига на IGBT диод, за да абсорбирате пренапрежението при изключване и да намалите обратното напрежение на диода.
2. Наблюдение на системата: диагностика-в реално време и прогнозна поддръжка
Инфрачервено термовизионно откриване: Мониторинг в реално време на температурата на корпуса на диода чрез инфрачервен термичен образ, задействащ аларма, когато температурата надвиши номиналната стойност от 15 градуса;
Мониторинг на електрически параметри: Мониторинг в реално време на тока на диода чрез сензори за ток (като сензори на Хол) и защитата се активира, когато токът превиши 1,2 пъти номиналната стойност;
Предсказване на неизправности с изкуствен интелект: Обучете модели за машинно обучение въз основа на исторически данни, за да предскажат оставащия живот (RUL) на диодите и да заменят високо{0}}рисковите компоненти предварително.