Qual é o efeito de atraso dos diodos na comutação automática de redes de distribuição?

一, A base física das características de atraso do diodo
As características de atraso de um diodo decorrem dos processos dinâmicos de seus portadores de carga internos. Quando um diodo muda de um estado condutor para um estado de corte, os portadores de não-{1}}equilíbrio acumulados na junção PN (como elétrons na região P e buracos na região N) não desaparecem instantaneamente, mas diminuem gradualmente através de dois caminhos: movimento de deriva sob a ação de um campo elétrico reverso e recombinação com a maioria dos portadores. Esse processo faz com que a corrente reversa mantenha um valor alto no estágio inicial e, em seguida, decaia gradualmente para um valor de estado-estacionário, formando um tempo de recuperação reversa (Trr). A duração do tempo de recuperação reversa afeta diretamente a velocidade de comutação do diodo, que por sua vez determina suas características de atraso na comutação automática.

Dados experimentais mostram que o tempo de recuperação reversa dos diodos está intimamente relacionado à capacitância da junção e à carga armazenada. Quanto maior a área da junção PN, mais cargas armazenadas e maior será o tempo de atraso; Quanto maior for a corrente direta, maior será a quantidade de carga armazenada e maior será o tempo de desligamento; Quanto maior a corrente reversa, mais rápido a carga desaparece e menor o tempo de desligamento. Por exemplo, no circuito retificador da chave automática na rede de distribuição, se forem usados ​​diodos retificadores comuns, o tempo de recuperação reversa pode atingir centenas de nanossegundos a microssegundos, enquanto os diodos Schottky podem encurtar o tempo de recuperação reversa para nanossegundos através do mecanismo de condução da portadora majoritária, melhorando significativamente a velocidade de resposta da chave.

2, Implementação de circuito de controle de atraso de diodo em comutação automática
Na comutação automática de redes de distribuição, o controle de atraso dos diodos é obtido principalmente por meio de duas formas de circuito: uma é um circuito de atraso baseado na carga e descarga RC, e a outra é um circuito de supressão transitória baseado nas características de recuperação reversa dos diodos.

1. Aplicação de diodos em circuitos de atraso RC
O circuito de atraso RC atinge o atraso através do processo de carga e descarga dos capacitores, e o diodo desempenha um papel no controle do caminho de carga e descarga neste circuito. Por exemplo, no circuito de controle de fechamento de uma chave automática, quando o sinal de entrada é alto, o diodo conduz na direção direta e o capacitor carrega rapidamente através de um pequeno resistor, encurtando o tempo de fechamento; Quando o sinal de entrada é baixo, o diodo é desligado ao contrário e o capacitor descarrega lentamente através de um grande resistor, prolongando o tempo de abertura. Este projeto pode obter controle de atraso variando de dezenas de microssegundos a milissegundos, ajustando a relação de resistência direta e reversa do diodo, atendendo aos requisitos de tempo para isolamento e recuperação de falhas na rede de distribuição.

2. Aplicação de diodos em circuitos de supressão de transitórios
No circuito de proteção contra sobretensão de chaves automáticas, os diodos (como os diodos TVS) absorvem sobretensões transitórias por meio de suas características de ruptura reversa, e seu tempo de recuperação reversa afeta diretamente a velocidade de resposta da proteção. Por exemplo, quando relâmpagos ou operações de comutação geram sobretensão na rede de distribuição, o diodo TVS conduz em nanossegundos, fixando a sobretensão a um nível seguro e, em seguida, restaurando o estado de corte através de um processo de recuperação reversa. Se o tempo de recuperação reversa for muito longo, poderá causar surto de sobretensão secundária, portanto, diodos de recuperação ultrarrápidos (como UF4007, Trr<50ns) need to be selected to optimize the protection effect.

3, Aplicação típica de características de atraso de diodo na automação de redes de distribuição
1. Controle de tempo para isolamento e recuperação de falhas
Na automação de alimentadores de redes de distribuição, as chaves automáticas precisam isolar rapidamente as seções defeituosas com base nos sinais de falha e restaurar o fornecimento de energia às seções não defeituosas. As características de atraso dos diodos podem alcançar a coordenação de tempo das ações da chave. Por exemplo, em um circuito de religamento, o tempo de carga do capacitor é controlado por um diodo para garantir um atraso de vários segundos antes do religamento após o isolamento da falta, evitando o impacto repetido de faltas transitórias. Após a adoção deste esquema em um projeto de rede de distribuição de 10kV, o tempo de isolamento da falta foi reduzido para menos de 200ms e a taxa de sucesso de religamento aumentou para 98%.

2. Proteção anti-refluxo para acesso de energia distribuída
Com a popularização dos sistemas fotovoltaicos distribuídos e de armazenamento de energia, a rede de distribuição precisa evitar que as fontes de energia distribuída enviem eletricidade de volta à rede em caso de falha. O diodo é conectado em série com o terminal de saída do inversor, utilizando sua condutividade unidirecional para bloquear a corrente reversa, enquanto controla a velocidade de resposta da proteção anti-refluxo através do tempo de recuperação reversa. Por exemplo, quando uma determinada central fotovoltaica adota diodos Schottky (como SS14, Trr<10ns), the anti backflow protection action time is shortened from milliseconds to microseconds, effectively avoiding the expansion of power grid faults.

3. Controle síncrono de interruptores em sistemas de distribuição DC
Na rede de distribuição DC, a abertura e fechamento síncronos de chaves automáticas precisam resolver o problema de reacendimento do arco. O diodo alcança a sincronização de fase da ação de comutação atrasando o controle de carga e descarga do capacitor. Por exemplo, em um disjuntor CC, um diodo forma um circuito ressonante com um indutor e um capacitor. Ao ajustar o ângulo de condução do diodo para controlar a frequência de ressonância, a chave pode quebrar no cruzamento zero da corrente, reduzindo a energia do arco para menos de 1% e melhorando significativamente a vida útil da chave.