מהי אפקט ההשהיה של דיודות במיתוג אוטומטי של רשתות הפצה?

一, הבסיס הפיזי של מאפייני השהיית דיודה
מאפייני ההשהיה של דיודה נובעים מהתהליכים הדינמיים של נושאי המטען הפנימיים שלה. כאשר דיודה עוברת ממצב מוליך למצב חיתוך, נושאי הבלתי-שיווי משקל שהצטברו בצומת ה-PN (כגון אלקטרונים באזור P וחורים באזור N) אינם נעלמים באופן מיידי, אלא יורדים בהדרגה בשני נתיבים: תנועת סחיפה בפעולה של שדה חשמלי הפוך עם רוב נושאי הספקים. תהליך זה גורם לזרם ההפוך לשמור על ערך גבוה בשלב הראשוני, ולאחר מכן לרדת בהדרגה לערך-מצב יציב, ויוצר זמן התאוששות הפוך (Trr). משך זמן ההתאוששות ההפוכה משפיע ישירות על מהירות המיתוג של הדיודה, אשר בתורה קובעת את מאפייני ההשהיה שלה במיתוג אוטומטי.

נתוני ניסויים מראים שזמן ההתאוששות ההפוכה של דיודות קשור קשר הדוק לקיבול הצומת ולמטען מאוחסן. ככל ששטח צומת ה-PN גדול יותר, כך הטעינות המאוחסנות יותר וזמן ההשהיה ארוך יותר; ככל שהזרם קדימה גדול יותר, כך כמות הטעינה המאוחסנת גדולה יותר וזמן הכיבוי ארוך יותר; ככל שהזרם ההפוך גדול יותר, כך הטעינה נעלמת מהר יותר וזמן הכיבוי קצר יותר. לדוגמה, במעגל המיישר של המתג האוטומטי ברשת ההפצה, אם משתמשים בדיודות מיישרים רגילות, זמן ההתאוששות ההפוכה יכול להגיע למאות ננו-שניות עד מיקרו-שניות, בעוד שדיודות שוטקי יכולות לקצר את זמן ההתאוששות ההפוכה לננו-שניות באמצעות מנגנון ההולכה של רוב הספקים, ולשפר משמעותית את מהירות התגובה של המתג.

2, יישום מעגל של בקרת השהיית דיודה במיתוג אוטומטי
במיתוג אוטומטי של רשתות הפצה, בקרת ההשהיה של דיודות מושגת בעיקר באמצעות שתי צורות מעגלים: האחת היא מעגל השהייה המבוסס על טעינה ופריקה של RC, והשנייה היא מעגל דיכוי חולף המבוסס על מאפייני ההתאוששות ההפוכה של דיודות.

1. יישום דיודות במעגלי השהייה RC
מעגל ההשהיה RC משיג השהיית זמן באמצעות תהליך הטעינה והפריקה של קבלים, והדיודה ממלאת תפקיד בשליטה בנתיב הטעינה והפריקה במעגל זה. לדוגמה, במעגל הבקרה הסגירה של מתג אוטומטי, כאשר אות הכניסה גבוה, הדיודה מוליכה בכיוון קדימה, והקבל נטען במהירות דרך נגד קטן, ומקצר את זמן הסגירה; כאשר אות הכניסה נמוך, הדיודה נכבית בהיפוך, והקבל מתפרק באיטיות דרך נגד גדול, ומאריך את זמן הפתיחה. עיצוב זה יכול להשיג בקרת השהייה הנעה בין עשרות מיקרו-שניות לאלפי-שניות על-ידי התאמת יחס ההתנגדות קדימה ואחורה של הדיודה, תוך עמידה בדרישות הזמן לבידוד תקלות והתאוששות ברשת ההפצה.

2. יישום דיודות במעגלי דיכוי חולף
במעגל הגנת מתח יתר של מתגים אוטומטיים, דיודות (כגון דיודות TVS) סופגות מתח יתר חולף באמצעות מאפייני התמוטטות ההפוכה שלהן, וזמן ההתאוששות ההפוכה שלהן משפיע ישירות על מהירות תגובת ההגנה. לדוגמה, כאשר ברק מכה או פעולות מתג מייצרות מתח יתר ברשת ההפצה, דיודת ה-TVS מתנהלת תוך ננו-שניות, מהדקת את מתח היתר לרמה בטוחה, ולאחר מכן משחזרת את מצב הניתוק באמצעות תהליך התאוששות הפוך. אם זמן ההתאוששות ההפוכה ארוך מדי, הוא עלול לגרום למתח יתר משני, ולכן דיודות התאוששות מהירות במיוחד (כגון UF4007, Trr<50ns) need to be selected to optimize the protection effect.

3, יישום טיפוסי של מאפייני עיכוב דיודה באוטומציה של רשתות הפצה
1. בקרת תזמון לבידוד תקלות והתאוששות
באוטומציה של מזיני רשתות הפצה, מתגים אוטומטיים צריכים לבודד במהירות קטעים פגומים בהתבסס על אותות תקלה ולהחזיר את אספקת החשמל לקטעים שאינם פגומים. מאפייני ההשהיה של דיודות יכולים להשיג תיאום תזמון של פעולות המתג. לדוגמה, במעגל סגירה מחדש, זמן הטעינה של הקבל נשלט על ידי דיודה כדי להבטיח עיכוב של מספר שניות לפני סגירה מחדש לאחר בידוד תקלות, תוך הימנעות מהשפעה חוזרת ונשנית של תקלות חולפות. לאחר אימוץ תכנית זו בפרויקט רשת הפצה של 10kV, זמן בידוד התקלות קוצר לפחות מ-200ms, ושיעור ההצלחה של סגירה מחדש הוגדל ל-98%.

2. הגנה נגד זרימה חוזרת לגישה לכוח מבוזר
עם הפופולריות של מערכות פוטו-וולטאיות ואחסון אנרגיה מבוזרות, רשת ההפצה צריכה למנוע ממקורות כוח מבוזרים לשלוח חשמל בחזרה לרשת במקרה של תקלה. הדיודה מחוברת בסדרה עם מסוף המוצא של המהפך, תוך שימוש במוליכות החד-כיוונית שלה כדי לחסום זרם הפוך, תוך שליטה על מהירות התגובה של הגנה נגד זרימה חוזרת דרך זמן התאוששות הפוך. לדוגמה, כאשר תחנת כוח פוטו-וולטאית מסוימת מאמצת דיודות שוטקי (כגון SS14, Trr<10ns), the anti backflow protection action time is shortened from milliseconds to microseconds, effectively avoiding the expansion of power grid faults.

3. בקרה סינכרונית של מתגים במערכות הפצה DC
ברשת ההפצה DC, הפתיחה והסגירה הסינכרונית של מתגים אוטומטיים צריכים לפתור את בעיית ההדלקה מחדש של קשת. הדיודה משיגה סנכרון פאזה של פעולת המיתוג על ידי עיכוב בקרת הטעינה והפריקה של הקבלים. לדוגמה, במפסק DC, דיודה יוצרת מעגל תהודה עם משרן וקבל. על ידי התאמת זווית ההולכה של הדיודה כדי לשלוט בתדר התהודה, המתג יכול להישבר בחציית האפס של הזרם, להפחית את אנרגיית הקשת מתחת ל-1% ולשפר משמעותית את חיי המתג.