Hoće li kvar diode dovesti do smanjenja učinkovitosti sustava za pohranu energije?

一, Način kvara diode i mehanizam gubitka učinkovitosti
1. Pogoršanje karakteristika obrnutog oporavka
U -scenarijima prespajanja visoke frekvencije, kao što je dioda protiv paralelnog slobodnog hoda IGBT modula u pretvaračima za pohranu energije PCS, obrnuto vrijeme oporavka (Trr) i naboj oporavka (Qrr) diode ključni su parametri koji određuju učinkovitost. Kada je Trr predugačak ili je Qrr prevelik, dioda će stvoriti značajnu "repnu struju" tijekom procesa isključivanja, što dovodi do sljedećih problema:

Iznenadno povećanje gubitaka sklopke: Za svakih 10 ns povećanja Trr, gubici sklopke mogu porasti za 5% -8%. Na primjer, u slučaju određenog fotonaponskog pretvarača, nakon što se Trr pogoršao s 35ns na 80ns, učinkovitost sustava smanjila se za 3,7%, a porast temperature MOSFET-a povećao se za 15 stupnjeva.
Skokovi napona i EMI smetnje: Abnormalni Qrr može uzrokovati obrnute skokove u naponu sabirnice (kao što je nagli porast s 1000 V na 1200 V), što predstavlja rizik od kvara izolacije i povećava troškove filtriranja elektromagnetskih smetnji (EMI).
2. Toplinski bijeg i drift parametara
Kada temperatura spoja (Tj) diode prijeđe nazivnu vrijednost (kao što je 150 stupnjeva), pokrenut će se sljedeći začarani krug:

Udar struje curenja: Na visokim temperaturama, povratna struja curenja (IR) može porasti s 10 μA na 100 μA, što rezultira deseterostrukim povećanjem statičke potrošnje energije.
Degradacija parametara: prednji pad napona (VF) raste s temperaturom (kao što je od 0,8 V do 1,2 V), izravno smanjujući učinkovitost provođenja. Studija slučaja sustava za pohranu energije protočne baterije vanadija pokazuje da kada temperatura elektrolita poraste s 25 stupnjeva na 45 stupnjeva, VF diode se povećava za 0,3 V, a učinkovitost punjenja i pražnjenja sustava smanjuje se za 2,1%.
3. Kvar pakiranja i kvar kontakta
Defekti pakiranja (kao što je oksidacija TO-220 igle, upijanje vlage plastične ambalaže) mogu uzrokovati:

Povećanje toplinskog otpora: Loš kontakt uzrokuje porast toplinskog otpora (R θ JA) s 2 stupnja /W na 5 stupnjeva /W, ubrzavajući toplinski bijeg.
Oštećenje od mehaničkog naprezanja: Rizik od loma igle povećava se u okruženju vibracija. U slučaju pretvarača energije vjetra, 10% pinova diode imalo je mikropukotine zbog transportnih vibracija, a stopa kvarova je porasla nakon 3 mjeseca rada.
2, Analiza gubitka učinkovitosti u tipičnim scenarijima
1. Kvar diode u pretvaraču za pohranu energije (PCS)
U dvosmjernim DC{0}}DC pretvaračima, greška u diodi protiv paralelnog slobodnog hoda može uzrokovati:

Povremena struja: Kada postoji greška u otvorenom krugu, struja induktora ne može nastaviti teći, napon kondenzatora modula (Uac) nastavlja se smanjivati, a izlazna snaga sustava pada za 30% -50%.
Izravna veza kraka mosta: U slučaju kvara kratkog spoja, IGBT pregori zbog prekomjerne struje. U slučaju elektrane za pohranu energije, kratki spoj jedne diode rezultirao je troškovima održavanja PCS-a većim od 500 000 juana.
2. Kvar diode u sustavu upravljanja baterijom (BMS)
U balansnom krugu, diode se koriste za sprječavanje prekomjernog punjenja baterije, a njihove greške mogu uzrokovati:

Kvar ravnoteže: Kvar otvorenog kruga uzrokovao je neravnotežu u naponu jedne baterije. U slučaju sustava za pohranu energije litijske baterije, zbog otvorenog strujnog kruga u diodi, određena baterija je bila prenapunjena na 4,5 V (ocijenjeno 4,2 V), što je dovelo do toplinskog bijega.
Obrnuto curenje: Greške kratkog spoja uzrokuju povećanje stope samopražnjenja baterije, što rezultira povećanjem gubitaka u stanju mirovanja sustava od 20% -30%.
3. Kvar diode u pomoćnom napajanju
U DC/DC pomoćnom napajanju, diode se koriste za napajanje upravljačkih krugova, a njihove greške mogu uzrokovati:

Nestabilnost upravljanja: Kvar otvorenog kruga može uzrokovati gubitak napajanja BMS ili PCS upravljačke ploče, povećavajući rizik od isključivanja sustava. U studiji slučaja elektrane za pohranu energije, zbog prekida strujnog kruga u pomoćnoj energetskoj diodi, cijeli PCS sustav se istovremeno isključio, što je rezultiralo neuspjehom regulacije frekvencije mreže.
Skok učinkovitosti: Kvar kratkog spoja uzrokovao je smanjenje učinkovitosti pomoćnog napajanja s 90% na 70%, što je rezultiralo dvo-strukim povećanjem vlastite potrošnje sustava.
3, Strategija optimizacije učinkovitosti i tehnička praksa
1. Dinamički nadzor i upravljanje zdravljem
Mrežno praćenje parametara: Snimite VF, IR, Trr i druge parametre kroz osciloskop i postavite alarme praga (kao što je aktiviranje alarma kada VF poraste za 10%).
Infracrvena termografija: Redovito pratite temperaturu spoja dioda kako biste osigurali Tj manje od ili jednako 125 stupnjeva (za silicijske uređaje) ili Tj manje od ili jednako 175 stupnjeva (za SiC uređaje).
Održavanje temeljeno na podacima: Uspostavite bazu podataka o greškama i predvidite preostali život (RUL) putem strojnog učenja. U studiji slučaja elektrane za skladištenje energije, ova je strategija smanjila neplanirane zastoje za 40%.
2. Dizajn optimizacije na razini sustava
Poboljšanje topologije: Usvajanje tehnologije sinkronog ispravljanja umjesto tradicionalnih dioda može povećati učinkovitost za 2% -3%. Na primjer, u kućištu komunikacijskog napajanja od 48 V, sinkrono ispravljanje povećalo je učinkovitost s 92% na 95%.
Suradnja u upravljanju toplinom: Kombinacija sustava tekućeg hlađenja s optimiziranim rasporedom dioda. U studiji slučaja elektrane za skladištenje energije na razini megavata, ovo je rješenje smanjilo porast temperature PCS-a za 10 stupnjeva i povećalo učinkovitost za 0,8%.
Dizajn zalihosti: Krug ključa usvaja paralelne diode. U studiji slučaja sustava za pohranu energije u nuklearnoj elektrani, redundancijski dizajn postigao je raspoloživost sustava od 99,999%.