כיצד דיודות מבודדות מעגלים מקומיים במהלך תקלות ברשת החשמל?

一, המנגנון הפיזי של בידוד תקלות דיודה
מבנה צומת ה-PN של דיודה מעניק לה יכולת חסימת זרם טבעית. כאשר מתרחשת תקלת קצר חשמלית ברשת החשמל, המתח בנקודת התקלה יורד בחדות, ויוצר שדה חשמלי הפוך. בשלב זה, הדיודה נכנסת למצב חיתוך, וההתנגדות ההפוכה יכולה להגיע לרמת מגה אוהם. אם ניקח לדוגמא את המערכת המחוברת לרשת הפוטו-וולטאית, כאשר מתרחש קצר חשמלי מקוטב לקוטב בצד ה-DC, דיודת Schottky (כגון SB560, עם ירידת מתח קדימה של 0.5V) המחוברת במקביל לשני הקצוות של המודול הפוטו-וולטאי יכולה לעמוד במתח הפוך של מעל 1000V וחסימת זרם מלאה בטווח של 0 סולמות בטווח של 0. מהיר יותר מתכניות ממסר מסורתיות.

במערכות תקשורת, מאפייני הבידוד של דיודות קשורים קשר הדוק לסוג התקלה. כאשר מתרחשת תקלת הארקה חד-שלבית-, מתח הפאזה ללא תקלה עולה לרמת מתח הקו. בשלב זה, דיודת ההתאוששות המהירה (כגון FR307, זמן התאוששות הפוך 100ns) המחוברת באנטי מקביל לשני הקצוות של התקן המיתוג יכולה למעשה למנוע טעינת יתר של הקבלים. על פי הנתונים של פרויקט שידור ± 500kV DC של Tennet בגרמניה, לאחר אימוץ תכנית זו, טווח התנודות של מתח הקבלים של תת-מודולים ירד מ-± 15% ל-± 3%, ויעילות המערכת השתפרה ב-1.2 נקודות אחוז.

2, יישום בידוד של תרחישי תקלות טיפוסיים
1. יעוד תקלות של מערכת הפצה DC
במערכת הפצה DC מבוססת דיודה, כאשר מתרחש קצר חשמלי דו-קוטבי קבוע בקו, הזרם ההתחלתי של הקו הפגום עולה במהירות ל-8.3kA, בעוד שזרם הטרמינל פוחת ל-0 תוך 1ms עקב הניתוק ההפוך של הדיודה. המחקר שנערך על ידי הצוות של לי בין באוניברסיטת טיאנג'ין מראה שתכנית זו יכולה להגביל את טווח ההשפעה של תקלות בין שתי תחנות ממירים, להפחית אותו ב-60% בהשוואה לתוכניות מסורתיות, ולקצר את זמן נפילת המתח מ-200ms ל-20ms, ולשפר משמעותית את אמינות אספקת החשמל.

ביישום הספציפי, כל מקטע אוטובוס DC מצויד במודול דיודה אנטי מקבילית. כאשר זרם התקלה חורג מהסף, מכשיר המיתוג המהיר מנתק את נתיב התקלה תוך 100 מיקרומטר שניות, והדיודה יוצרת מחסום בידוד אוטומטי. לאחר אימוץ הטכנולוגיה הזו, מהפך הפוטו-וולטאי Huawei SUN2000-125KTL הגדיל את ייצור החשמל שלו ב-9.3% בתרחישים חסומים חלקית, עם יעילות אירופית של 98.8%.

2. הגנת ממיר רב-מפלסית מודולרית
בתת-מודול MMC, דיודות ו-IGBT יוצרות מבנה חסימה דו-כיווני. כאשר חוסר איזון המתח של הקבל של תת-מודול עולה על 10%, דיודת הסיליקון קרביד המחוברת בסדרה (כגון C3D06060A) חווה ירידת מתח קדימה של 1.3V@10A )יכולה למנוע טעינת יתר של הקבלים. לאחר אימוץ תכנית זו, מייצב הרשת של סימנס SICAM AIS הפחית את הפסדי המיתוג של תת-מודולים ב-40% וקיצר את זמן התגובה של המערכת מ-10ms ל-3ms.

בפרקטיקה ההנדסית, יש לקחת בחשבון את מאפייני ההתאוששות ההפוכה של דיודות. השימוש בדיודות התאוששות מהירה (כגון FR307) יכול להפחית את הפסדי המיתוג של IGBT ב-35% בהשוואה למיישרים רגילים. דיודות בידוד חכמות מסדרת Power Grid של ABB עוקבות אחר טמפרטורת צומת, זרם ופרמטרים אחרים בזמן אמת באמצעות חיישנים-מובנים, מזהירות תקלות פוטנציאליות 0.5ms מראש, והגדלת הזמן הממוצע בין תקלות במערכת ל-200000 שעות.

3. תכנון מיותר של מקורות כוח מבוזרים
בממירים פוטו-וולטאיים מחרוזת, ערוצי MPPT מרובים משיגים יתירות כוח באמצעות דיודות או מעגלי שער. כאשר הספק המוצא של ערוץ מסוים יורד עקב חסימת צל, דיודת Schottky (כגון MBR2045CT, עם ירידת מתח קדימה של 0.32V) עוברת אוטומטית לערוץ הבריא. בדיקות הראו שתכנית זו יכולה להגדיל את ייצור החשמל של מערכים פוטו-וולטאיים ב-8% -12%, במיוחד בתרחישים חסומים חלקית שבהם היתרונות משמעותיים.

מערכת אחסון האנרגיה של Tesla Megapack מאמצת ערכת בידוד משולבת, ובקר דיודה אידיאלי המבוסס על MOSFET (כגון LM5050) משיג זמן התאוששות הפוך אפס. תכנית זו מפחיתה את אובדן הבידוד בין אשכולות סוללות מ-2.5W ל-0.3W, משפרת את יעילות מחזור המערכת ב-0.2 נקודות אחוז ומפחיתה את ירידת מתח ההולכה של 0.05V ב-90% בהשוואה לדיודות מסורתיות.

3, אסטרטגיות אופטימיזציה הנדסית ושיפור ביצועים
1. בחירת רכיבי הפסד נמוך
אובדן ההולכה של דיודות סיליקון מסורתיות הפך לצוואר בקבוק ביישומי-תדר גבוה. השימוש בדיודות שוטקי סיליקון קרביד יכול להפחית את הפסדי ההולכה ב-60%. במהפך פוטו-וולטאי של 100 קילוואט, תוכנית זו מפחיתה את הפסדי הדיודות מ-120W ל-48W ומשפרת את יעילות המערכת ב-0.05 נקודות אחוז. לדיודה EPC2054 GaN שהושקה על ידי חברת EPC יש מפל מתח קדימה של 0.2V בלבד בזרם 10A, שהוא נמוך ב-85% ממכשירי SiC.

2. אופטימיזציה של ניהול תרמי
ביישומי-הספק גבוה, בקרת טמפרטורת צומת דיודה היא חיונית. ערכת פיזור החום המרוכבת באמצעות גריז סיליקון מוליך תרמי (התנגדות תרמית 0.5 מעלות /W) ומצע אלומיניום (התנגדות תרמית 1 מעלות /W) יכולה להפחית את טמפרטורת הצומת מ-125 מעלות ל-85 מעלות מתחת לזרם 100A, ולהאריך את חיי המכשיר ביותר מפי שלושה. ממירי Huawei משתמשים בטכנולוגיית קירור נוזלי כדי לשלוט בטמפרטורת צומת הדיודה בטווח של 105 מעלות ולהגדיל את צפיפות ההספק ל-1.2kW/kg.

3. עיצוב תאימות אלקטרומגנטית
יש לדכא את רעש di/dt שנוצר על ידי מתגי דיודה על ידי מעגל חיץ RC. במהפך 10kW, מעגל חיץ המשתמש בקבלי סרט 0.1 μF ובנגדים של 10 Ω יכול להפחית את חריגות המתח מ-50V ל-5V, תוך עמידה בתקן IEC 61000-4-5 לתאימות אלקטרומגנטית. דיודת הבידוד החכמה מסדרת SIRIUS של סימנס מדכאת רעשי מתגים מתחת ל-20dB דרך רשת RC מובנית.

4, מגמות טכנולוגיות Frontier
1. יישומי מוליכים למחצה רחבי פס
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz), מחליפים בהדרגה התקני סיליקון בתחומים-מתקדמים כגון ספקי כוח של תחנות בסיס 5G וספקי כוח לתעופה וחלל. לדיודה EPC2054 GaN שהושקה על ידי חברת EPC יש מפל מתח קדימה של 0.2V בלבד בזרם 10A, שהוא נמוך ב-85% ממכשירי SiC.

2. שילוב של טכנולוגיית בידוד חכמה
מודול הדיודה החכמה בשילוב עם טכנולוגיית בקרה דיגיטלית יכול להשיג פיצוי דינאמי של נפילות מתח וחיזוי תקלות. דיודות הבידוד החכמות מסדרת Power Grid שהושקה על ידי חברת ABB מנטרות בזמן אמת טמפרטורת צומת, זרם ופרמטרים אחרים באמצעות חיישנים- מובנים, ומתריעות על תקלות פוטנציאליות 0.5ms מראש, מה שמגדיל את הזמן הפנוי מהתקלות הממוצע של המערכת ל-200000 שעות.

5, מקרי יישום בתעשייה
1. פרויקט שידור Tennet DC בגרמניה
בפרויקט ההולכה של ± 500kV DC, תת-מודול ה-MMC המשתמש במודולי דיודות סיליקון קרביד מפחית את טווח תנודות המתח של קבל התת-מודול מ-± 15% ל-± 3%, ומשפר את יעילות המערכת ב-1.2 נקודות אחוז. קיבולת ההולכה השנתית של פרויקט זה מגיעה ל-12 מיליארד קילוואט שעות, השווה להפחתת צריכת הפחם הסטנדרטי ב-3.6 מיליון טון.

2. מערכת אחסון אנרגיה של Tesla Megapack
ערכת בידוד מקבצי הסוללות המבוססת על דיודות GaN משפרת את יעילות מחזור המערכת ב-0.2 נקודות אחוז, תוך הפחתת ירידת מתח ההולכה ב-90% בהשוואה לדיודות מסורתיות ב-0.05V. המערכת נפרסה ברחבי העולם במשך למעלה מ-10 GWh, ותומכת בצריכת אנרגיה מתחדשת.