Kako diode vrše kontrolu smjera signala u električnoj mreži?

一, Fizička osnova jednosmjerne vodljivosti dioda
Struktura jezgre diode je PN spoj, koji tvori osiromašeno područje na spoju poluvodiča tipa P- (bogatog rupama) i poluvodiča tipa N- (bogatog elektronima). Kada je dioda prednapredna (s terminalom P spojenim na pozitivnu elektrodu i terminalom N spojenim na negativnu elektrodu), područje osiromašenja se sužava i nosioci slobodno teku, tvoreći stazu niskog otpora; Kada je obrnuto prednaponsko, područje osiromašenja se širi, dopuštajući samo mikroampersku struju curenja da prođe, predstavljajući stanje visokog otpora. Ova karakteristika čini diode prirodnim "elektroničkim ventilom" koji može točno kontrolirati smjer struje.

Ključni parametri:

Pad napona naprijed (VF): oko 0,6-0,7V za silicijske diode i samo 0,15-0,4V za Schottky diode.
Obrnuto vrijeme oporavka (TRR): obične diode imaju vrijeme oporavka od nekoliko stotina nanosekundi, diode s brzim oporavkom mogu se skratiti na desetke nanosekundi, a Schottky diode imaju vrijeme oporavka gotovo nula.
Obrnuti probojni napon (VRRM): Određuje maksimalni obrnuti napon koji dioda može izdržati i ključni je pokazatelj za odabir u aplikacijama električne mreže.
2, Tipični scenariji primjene kontrole smjera signala električne mreže
1. Sustav ispravljanja i istosmjernog napajanja
U vezi za prijenos istosmjerne struje električne mreže, diodni ispravljački mostovi (kao što su tro-fazni puni mostovi) pretvaraju izmjeničnu struju u istosmjernu struju, pružajući temelj za visoko{1}}naponski prijenos istosmjerne struje (HVDC). Na primjer, u projektima istosmjerne struje ultra-visokog napona ± 800 kV, diodni ispravljači moraju izdržati tisuće ampera struje i nekoliko megavolta napona, a njihove karakteristike povratnog povrata izravno utječu na učinkovitost sustava.

Strategija optimizacije:

Korištenje dioda za brzi oporavak (FRD) ili dioda od silicij karbida (SiC) za smanjenje gubitaka povratnog oporavka.
Korištenjem tehnologije paralelnog dijeljenja struje za disperziju struje i poboljšanje pouzdanosti uređaja.
2. Usmjerena izolacija u integraciji nove energije u mrežu
U fotonaponskim pretvaračima i pretvaračima energije vjetra diode se koriste za sprječavanje povratnog napajanja mreže. Na primjer, fotonaponski nizovi povezani su s izmjenjivačima preko dioda. Kada električna mreža padne ili se pretvarač isključi, diode automatski blokiraju povratnu struju, štiteći opremu od oštećenja.

Analiza slučaja:
Fotonaponska elektrana od 10 MW ima modularni paralelni dizajn, sa svakom fotonaponskom granom povezanom u seriju s diodama. Stvarni podaci ispitivanja pokazuju da kada napon mreže padne na 30%, dioda može brzo blokirati povratnu struju, osiguravajući stabilan DC napon na strani pretvarača i izbjegavajući prenapon opreme.

3. Relejna zaštita i izolacija kvarova
U relejnom zaštitnom uređaju električne mreže, diode se kombiniraju s uređajima kao što su tiristori i IGBT za postizanje brzog prekida-struja kvara. Na primjer, DC prekidači koriste obrnutu karakteristiku blokiranja dioda za izolaciju neispravne grane u slučaju kvara, sprječavajući širenje kvara.

Tehnološki iskorak:
Istosmjerni prekidač temeljen na SiC MOSFET-u i hibridnoj diodi može prekinuti tisuće ampera struje kvara unutar 5 ms, s brzinom odziva više od 10 puta bržom od tradicionalnih mehaničkih prekidača.

4. Modulacija signala i komunikacija
U dalekovodnoj komunikaciji (PLC), diode se koriste za modulaciju i demodulaciju signala. Na primjer, upotrebom diodnog kruga za otkrivanje za izdvajanje visoko-frekventnih komunikacijskih signala, može se postići-prijenos podataka električne mreže u stvarnom vremenu.

Primjer primjene:
U izgradnji državne mreže "Ubiquitous Power Internet of Things", PLC moduli koji koriste tehnologiju detekcije diode mogu postići prijenos podataka od 1 Mbps na 10kV distribucijskim vodovima sa stopom pogreške manjom od 10 ^ -6.

3, Izazovi i strategije optimizacije u primjenama elektroenergetskih mreža
1. Problemi s pouzdanošću u scenarijima visokog-napona i visoke struje
U prijenosu istosmjernom strujom ultra-visokog napona, diode moraju izdržati desetke tisuća ampera struje i nekoliko megavolta napona, a njihove karakteristike povratnog oporavka mogu uzrokovati skokove napona, što dovodi do kvara uređaja.

Otopina:

Odabir uređaja: SiC diode su poželjne jer imaju 90% kraće vrijeme povratnog oporavka i 50% smanjenje gubitka vodljivosti u usporedbi sa silicijskim diodama.
Dizajn apsorpcijskog kruga: Paralelni RC međuspremnik spojen je na oba kraja diode za suzbijanje skokova napona. Na primjer, u projektu ± 1100 kV DC, vršni napon smanjen je s 2,1 puta nazivne vrijednosti na 1,3 puta optimizacijom RC parametara.
2. Suzbijanje elektromagnetskih smetnji (EMI).
Visoko{0}}oscilacije nastale tijekom obrnutog procesa oporavka dioda mogu uzrokovati EMI i ometati komunikacijsku opremu električne mreže.

Mjere optimizacije:

Optimizacija rasporeda: Skratite duljinu diodnih izvoda i smanjite rasipni induktivitet.
Dizajn filtra: dodajte induktivitet zajedničkog načina rada i Y kondenzator na izlazni terminal diode za suzbijanje visoko{0}}šuma. Stvarno testiranje pokazuje da je optimizirani intenzitet EMI zračenja smanjen za 15 dB.
3. Upravljanje temperaturom i vijekom trajanja
Radno okruženje opreme za elektroenergetsku mrežu je složeno, a visoke temperature mogu uzrokovati povećanje temperature spoja diode i starenje komponenti akceleratora.

Tehnički put:

Toplinski dizajn: korištenje hladnjaka i tehnologije tekućeg hlađenja za kontrolu temperature spoja ispod 150 stupnjeva.
Predviđanje životnog vijeka: Na temelju temperature spoja i modela trenutnog naprezanja uspostavite algoritam za predviđanje životnog vijeka diode za postizanje preventivnog održavanja.