Quais são as consequências do curto-circuito ou circuito aberto do diodo no sistema de energia?

一, Reação em cadeia de falha de curto-circuito do diodo
1. Mecanismo de curto-circuito e condições de disparo
Um curto-circuito de diodo geralmente é causado por quebra de chip, quebra de embalagem ou soldagem inadequada. Em ambientes de alta temperatura e alta umidade, a absorção de umidade e expansão dos materiais de embalagem podem causar a quebra da camada interna de metalização; Em cenários de sobretensão, as junções PN podem conduzir permanentemente devido à avalanche. Por exemplo, um projeto de inversor fotovoltaico sofreu um curto-circuito em 10 ms devido à sobretensão reversa do diodo causada por raios.

2. Impacto no nível do sistema
(1) Mudança no caminho de transmissão de energia
Falha do circuito retificador: Em um circuito retificador de ponte, se um diodo estiver em curto-circuito, causará condução direta entre os lados CA e CC, levando à saturação do transformador ou indutor. Devido a um curto-circuito no diodo retificador de um determinado projeto de sistema de armazenamento de energia, a corrente de entrada aumentou para três vezes o valor nominal e o transformador queimou em 5 segundos.
Curto-circuito no circuito de roda livre: em circuitos de acionamento de motor ou de armazenamento de energia indutiva, um curto-circuito no diodo de roda livre pode danificar o caminho de feedback de energia. Por exemplo, em um determinado projeto de inversor de veículo elétrico, devido a um curto-circuito no diodo de roda livre, a força eletromotriz reversa do motor foi aplicada diretamente ao dispositivo de potência, fazendo com que o módulo IGBT explodisse em 100 μs.
(2) Falha do mecanismo de proteção
Falha na proteção anti-reversa: Em sistemas DC, um curto-circuito no diodo anti-reverso pode causar danos diretos ao equipamento quando a polaridade da alimentação é invertida. O projeto UPS em um determinado data center sofreu perdas de mais de 500.000 yuans devido a um curto-circuito do diodo anti-reverso, que causou a queima do módulo retificador durante uma operação incorreta de manutenção.
Bypass de proteção contra sobretensão: o curto-circuito do diodo TVS fará com que ele perca sua função de fixação e a sobretensão será transmitida diretamente ao circuito subsequente. Devido a um curto-circuito no diodo TVS em um determinado projeto de conjunto fotovoltaico, a tensão de saída dos componentes subiu para 1.000 V (classificação 600 V), causando falhas-no inversor em grande escala.
(3) Risco de fuga térmica
Um curto-circuito causa uma mudança no caminho da corrente, resultando em um aumento significativo na densidade da corrente local. Um teste de um projeto de conversor de energia eólica mostrou que após um curto-circuito no diodo, a temperatura da junção dos dispositivos de energia adjacentes aumentou de 85 graus para 200 graus em 2 segundos, causando fuga térmica da cadeia.

2, Riscos sistêmicos de falhas de circuito aberto de diodo
1. Mecanismo de circuito aberto e cenários típicos
O circuito aberto geralmente é causado por colapso da soldagem, quebra de cavacos ou quebra de chumbo. Em ambientes vibratórios (como veículos elétricos), a fratura por fadiga do chumbo é uma causa comum; Em cenários de alta temperatura, a incompatibilidade entre o coeficiente de expansão térmica da embalagem e do chip pode causar rachaduras.

2. Impacto no nível do sistema
(1) Interrupção de transmissão de energia
Perda de saída de retificação: em um circuito de retificação trifásico, se um diodo estiver em circuito aberto, causará um aumento na ondulação da tensão de saída. Um determinado projeto de fonte de alimentação industrial fez com que a ondulação da tensão de saída aumentasse de 5% para 30% devido ao circuito aberto do diodo, resultando no mau funcionamento do equipamento de carga.
Circuito de roda livre desconectado: Em um circuito indutivo de armazenamento de energia, um diodo de roda livre aberto pode fazer com que a energia do indutor não seja liberada para lugar nenhum, resultando em picos de alta tensão. Um determinado projeto de driver de LED sofreu um aumento na tensão do indutor para 800 V (classificado como 400 V) devido a um circuito aberto no diodo de roda livre, resultando na quebra do MOSFET.
(2) Perda da função de proteção
Falha na proteção de sobrecorrente: Em um grupo de diodos paralelos, se um dos diodos estiver aberto, os diodos restantes precisarão suportar uma corrente maior. Um determinado projeto de circuito de balanceamento de bateria de armazenamento de energia causou sobrecarga e queima de outros diodos devido a um circuito aberto de um diodo, resultando na sobrecarga da bateria.
Falha na função de isolamento: Na proteção de nível do módulo fotovoltaico, um circuito aberto no diodo de bypass pode exacerbar o efeito de ponto quente. Devido ao circuito aberto do diodo de bypass em um determinado projeto de usina fotovoltaica, a temperatura de um determinado componente subiu para 150 graus sob obstrução de sombra, causando quebra de vidro.
(3) A estabilidade do sistema diminui
O circuito aberto pode causar alterações na topologia do circuito, o que pode levar a ressonância ou oscilação. Um determinado projeto de módulo de carregamento de veículo elétrico experimentou um circuito aberto de diodo, fazendo com que o circuito ressonante LLC fosse desafinado e a tensão de saída flutuasse em mais de ± 15%, desencadeando um desligamento de proteção.

3, Consequências de falhas em sistemas de energia típicos
1. Sistema de geração de energia fotovoltaica
Impacto no nível do componente: Um circuito aberto no diodo de bypass pode fazer com que a temperatura do ponto térmico do componente exceda o limite quando parcialmente obstruído, acelerando o envelhecimento do material de embalagem; Curto-circuito pode causar falha de arco no lado CC. De acordo com estatísticas de uma central fotovoltaica de 5 MW, as falhas de díodos são responsáveis ​​por 18% das falhas de componentes, resultando numa perda anual de mais de 500.000 kWh de geração de energia.
Impacto no nível do inversor: Curto-circuito do diodo retificador pode causar tensão descontrolada no barramento CC, levando à explosão do módulo IGBT; O circuito aberto leva a uma corrente de entrada intermitente, causando ruído e vibração no transformador.
2. Sistema de armazenamento de energia
Impacto no balanceamento da bateria: Um circuito aberto no diodo do circuito de balanceamento pode levar ao aumento da inconsistência na bateria e reduzir o ciclo de vida; Um curto-circuito pode causar sobrecarga/descarga excessiva. Devido a uma falha no díodo de equilíbrio de um determinado projecto de central eléctrica de armazenamento de energia, a taxa de degradação da capacidade do conjunto de baterias aumentou de 3%/ano para 8%/ano.
Impacto da conversão DC/DC: O circuito aberto do diodo retificador síncrono pode levar a uma diminuição na eficiência de mais de 10%; Curto-circuito pode causar excesso de tensão de saída.
3. Sistema de carregamento de veículos elétricos
Impacto do módulo de carregamento: o curto-circuito do diodo do circuito PFC pode fazer com que a taxa de distorção da corrente de entrada exceda o padrão, acionando a proteção da rede; Um circuito aberto fará com que o fator de potência caia abaixo de 0,7 e resultará em multa da rede elétrica.
Impacto do carregador de carro: O circuito aberto do diodo retificador de saída causará interrupção do carregamento; Um curto-circuito pode causar sobretensão na bateria. Em um determinado incidente de recall de veículos, mais de 20.000 veículos foram recolhidos devido ao risco de curto-circuito no diodo de saída.
4, Diagnóstico de falhas e estratégia de proteção
1. Tecnologia de monitoramento online
Monitoramento de tensão/corrente: Monitoramento em tempo real da tensão e corrente através do diodo através de sensores Hall, acionando um alarme se houver uma flutuação anormal superior a 10%.
Infrared temperature measurement: Infrared thermal imager is used to monitor the surface temperature of the diode. When the junction temperature exceeds the limit (such as SiC diode>175 graus), ele será desligado automaticamente.
Análise do espectro de impedância: ao injetar sinais de{0}alta frequência para detectar a resistência em série equivalente dos diodos, a impedância se aproxima do infinito em circuito aberto e de zero em curto-circuito.
2. Design redundante
Redundância paralela: Vários diodos são conectados em paralelo em circuitos críticos e o sistema ainda pode operar no caso de uma única falha. Por exemplo, um determinado inversor de energia eólica usa 4 diodos SiC paralelos e a eficiência do sistema diminui apenas 2% após um único circuito aberto.
Caminho de backup: Instale uma chave mecânica em paralelo com um diodo no circuito anti-reverso e mude automaticamente para o caminho da chave quando o diodo falhar.
3. Atualizações de materiais e processos
Embalagem resistente à umidade: embalagens de cerâmica ou herméticas são usadas para verificar a confiabilidade por meio de testes duplos 85 (85 graus/85% UR/1000h).
Solda de baixa tensão: use solda-sem chumbo e cabos elásticos para verificar a resistência à fadiga por meio de testes de vibração (como 5-2.000 Hz/10g).
5, Estudo de caso: Falha de diodo em conversor de energia eólica offshore
Um determinado projeto de energia eólica offshore está localizado em uma área propensa a tufões, e o projeto original usava diodos comuns-baseados em silício. Após 2 anos de operação, vários terminais de diodo foram quebrados (circuito aberto) devido à vibração e 3 diodos foram curto-circuitados devido à corrosão por névoa salina. Mau funcionamento causando:

Interrupção na transmissão de energia: desligamento de 12 inversores, resultando em perda diária superior a 50MWh de geração de energia por inversor;
Danos na cadeia do equipamento: explosão do módulo IGBT causada por curto-circuito, custo de reparo superior a 2 milhões de yuans;
Degradação da estabilidade do sistema: O circuito aberto leva a uma corrente de entrada intermitente e o ruído do transformador atinge 85dB (projeto<65dB).
O plano de melhoria inclui:

Atualização do dispositivo: Substitua por diodos SiC e embalagens cerâmicas;
Reforço estrutural: utilização de suportes redutores de vibração e três revestimentos de prova;
Atualização de monitoramento: Implante sensores infravermelhos de temperatura e vibração.
Após melhorias, o sistema está funcionando continuamente há 3 anos sem falhas de diodo, com aumento anual de geração de energia de 12% e redução de custos de manutenção de 70%.