Ще доведе ли повредата на диода до намаляване на ефективността на системата за съхранение на енергия?

一, режим на отказ на диод и механизъм за загуба на ефективност
1. Влошаване на характеристиките на обратното възстановяване
При високо{0}}честотни превключващи сценарии, като антипаралелния свободен ход на диода на IGBT модули в конвертори за съхранение на енергия PCS, времето за обратно възстановяване (Trr) и зарядът за възстановяване (Qrr) на диода са основните параметри, които определят ефективността. Когато Trr е твърде дълъг или Qrr е твърде голям, диодът ще образува значителен "опашен ток" по време на процеса на изключване, което води до следните проблеми:

Внезапно увеличение на загубите при превключване: За всеки 10ns увеличение на Trr, загубите при превключване може да се увеличат с 5% -8%. Например, в случай на определен фотоволтаичен инвертор, след като Trr се влоши от 35ns на 80ns, ефективността на системата намаля с 3,7% и повишаването на температурата на MOSFET се увеличи с 15 градуса.
Пикове на напрежението и EMI смущения: Необичайният Qrr може да причини обратни пикове в напрежението на шината (като внезапно увеличение от 1000V до 1200V), създавайки риск от повреда на изолацията и увеличавайки разходите за филтриране на електромагнитни смущения (EMI).
2. Топлинно отклонение и дрейф на параметрите
Когато температурата на свързване (Tj) на диода надвиши номиналната стойност (като 150 градуса), ще се задейства следният порочен цикъл:

Увеличение на тока на утечка: При високи температури обратният ток на утечка (IR) може да се увеличи от 10 μA до 100 μA, което води до десетократно увеличение на статичната консумация на енергия.
Влошаване на параметрите: Падането на напрежението напред (VF) се увеличава с температура (като от 0,8 V до 1,2 V), като директно намалява ефективността на проводимостта. Казус от система за съхранение на енергия от ванадиева поточна батерия показва, че когато температурата на електролита се повиши от 25 градуса до 45 градуса, VF на диода се увеличава с 0,3 V и ефективността на зареждане и разреждане на системата намалява с 2,1%.
3. Повреда на опаковката и повреда на контакта
Дефектите на опаковката (като окисляване на щифта TO-220, абсорбиране на влага от пластмасови опаковки) могат да причинят:

Увеличаване на термичното съпротивление: Лошият контакт причинява топлинното съпротивление (R θ JA) да се повиши от 2 градуса /W на 5 градуса /W, ускорявайки топлинното бягане.
Повреда от механичен стрес: Рискът от счупване на щифта се увеличава при вибрационна среда. В случай на преобразувател на вятърна енергия, 10% от диодните щифтове са имали микропукнатини, дължащи се на вибрации при транспортиране, а процентът на отказите се е увеличил след 3 месеца работа.
2, Анализ на загубата на ефективност в типични сценарии
1. Повреда на диода в конвертора за съхранение на енергия (PCS)
В двупосочните DC-DC преобразуватели повреда в антипаралелния свободен ход може да причини:

Прекъсващ ток: Когато има повреда в отворена верига, токът на индуктора не може да продължи да тече, напрежението на кондензатора на модула (Uac) продължава да намалява и изходната мощност на системата пада с 30% -50%.
Директно свързване на рамото на моста: В случай на повреда на късо съединение, IGBT изгаря поради свръхток. В случай на електроцентрала за съхранение на енергия, късо съединение с единичен диод доведе до разходи за поддръжка на PCS, надхвърлящи 500 000 юана.
2. Неизправност на диода в системата за управление на батерията (BMS)
В балансиращата верига диодите се използват за предотвратяване на презареждане на батерията и техните грешки могат да причинят:

Повреда в равновесието: Повреда в отворена верига причини дисбаланс в напрежението на една батерия. В случай на система за съхранение на енергия от литиева батерия, поради отворена верига в диода, определена батерия беше презаредена до 4,5 V (номинално 4,2 V), което доведе до термично изпускане.
Обратно изтичане: Грешките при късо съединение причиняват увеличаване на скоростта на саморазреждане на батерията, което води до 20% -30% увеличение на загубите в режим на готовност на системата.
3. Повреда на диода в спомагателното захранване
В DC/DC спомагателно захранване, диодите се използват за осигуряване на захранване за контролни вериги и техните грешки могат да причинят:

Нестабилност на управлението: Повреда в отворена верига може да доведе до загуба на захранване на платката за управление на BMS или PCS, което увеличава риска от изключване на системата. В казус на електроцентрала за съхранение на енергия, поради отворена верига в спомагателния захранващ диод, цялата PCS система се изключва едновременно, което води до повреда в регулирането на честотата на мрежата.
Скок на ефективността: Повреда при късо съединение доведе до намаляване на ефективността на спомагателното захранване от 90% на 70%, което води до дву-кратно увеличение на собственото потребление на системата.
3, Стратегия за оптимизиране на ефективността и техническа практика
1. Динамично наблюдение и управление на здравето
Онлайн наблюдение на параметри: Уловете VF, IR, Trr и други параметри чрез осцилоскоп и задайте прагови аларми (като задействане на аларма, когато VF се повиши с 10%).
Инфрачервена термография: Редовно наблюдавайте температурата на свързване на диодите, за да осигурите Tj по-малко или равно на 125 градуса (за силиконови устройства) или Tj по-малко или равно на 175 градуса (за SiC устройства).
Поддръжка, управлявана от данни: Създайте база данни за грешки и прогнозирайте оставащия живот (RUL) чрез машинно обучение. В казус на електроцентрала за съхранение на енергия тази стратегия намали непланирания престой с 40%.
2. Проектиране на оптимизация на ниво система
Подобрение на топологията: Приемането на технология за синхронна корекция вместо традиционните диоди може да увеличи ефективността с 2% -3%. Например, в случай на комуникационно захранване от 48 V, синхронното коригиране увеличи ефективността от 92% на 95%.
Сътрудничество при управление на топлината: Комбиниране на система за течно охлаждане с оптимизирано разположение на диодите. В казус на електроцентрала за съхранение на енергия на мегаватово ниво, това решение намалява повишаването на температурата на PCS с 10 градуса и повишава ефективността с 0,8%.
Дизайн на резервиране: Ключовата верига приема паралелни диоди. В казус на система за съхранение на енергия в атомна електроцентрала, дизайнът на резервирането постигна наличност на системата от 99,999%.