Qual é o impacto da quebra do diodo no inversor?

一, Tipos e mecanismos físicos de quebra de diodo
A ruptura do diodo pode ser dividida em dois tipos: ruptura elétrica e ruptura térmica, e seus mecanismos físicos estão intimamente relacionados às propriedades do material, concentração de dopagem, temperatura e outros fatores.

1. Avaria elétrica: um processo físico reversível
A avaria eléctrica inclui dois mecanismos: avaria Zener e avaria por avalanche

Quebra Zener: ocorre em junções PN altamente dopadas (como reguladores de tensão), onde a largura da camada de depleção é extremamente estreita (<1 μ m). Under the action of reverse voltage, a strong electric field directly pulls out the valence electrons in covalent bonds, forming electron hole pairs, resulting in a sharp increase in reverse current. Zener breakdown voltage is usually below 4V and has a negative temperature coefficient (breakdown voltage decreases with increasing temperature).
Avalanche breakdown: commonly seen in low doped PN junctions, with a wide depletion layer (>10 μm). A tensão reversa acelera as portadoras minoritárias, fazendo com que elas colidam com a rede e gerem novas portadoras, formando uma reação em cadeia de avalanche. A tensão de ruptura da avalanche é geralmente superior a 6 V e tem um coeficiente de temperatura positivo (a tensão de ruptura aumenta com a temperatura).
A pane elétrica é essencialmente um processo físico reversível.

2. Ruptura térmica: falha catastrófica irreversível
Quando a corrente reversa continua a aumentar após uma falha elétrica, ou quando são tomadas medidas de corrente infinita no circuito, o consumo de energia da junção PN excede o valor limite, resultando em um aumento acentuado na temperatura da junção. Neste ponto, os elétrons de valência na ligação covalente ganham energia suficiente para se libertarem das restrições atômicas, formando um grande número de pares de buracos de elétrons livres, exacerbando ainda mais o crescimento da corrente e formando um ciclo de feedback positivo. Eventualmente, a junção PN derrete devido ao superaquecimento, formando um curto-circuito permanente, conhecido como ruptura térmica. A ruptura térmica é irreversível e o diodo perderá completamente sua função.

2, Dano direto da quebra do diodo nos inversores
Os diodos em inversores são usados ​​principalmente para retificação, roda livre e fixação, e sua quebra pode causar propagação de faltas em diferentes caminhos.

1. Quebra do diodo retificador: curto-circuito de energia e explosão do capacitor
Em inversores fotovoltaicos ou fontes de energia industriais, a ponte retificadora é composta por 6 diodos (3 cátodos comuns e 3 ânodos comuns). Se um único diodo for quebrado termicamente para formar um curto-circuito, isso fará com que os pólos positivo e negativo do barramento CC conduzam diretamente, levando a um curto-circuito de energia. Neste ponto, o capacitor de filtragem aquece rapidamente devido à sobrecorrente, fazendo com que o eletrólito vaporize e se expanda, o que pode levar a uma explosão. Por exemplo, em uma determinada usina fotovoltaica, a quebra do diodo retificador causou a explosão do capacitor do lado CC, resultando no desmantelamento de todo o módulo inversor e em uma perda econômica direta de mais de 100.000 yuans.
2. Quebra do diodo de fixação: Tensão do barramento fora de controle
Em inversores-de vários níveis, diodos de fixação são usados ​​para limitar as flutuações de tensão do barramento CC. Se o diodo de fixação quebrar, a tensão do barramento poderá exceder a faixa de tensão suportável do IGBT, causando ruptura da cadeia. Por exemplo, um conversor de frequência de média tensão sofreu uma falha no diodo de fixação, fazendo com que a tensão do barramento CC subisse de 600 V para 900 V, resultando em danos a todos os 12 módulos IGBT e em um tempo de desligamento do sistema de até 72 horas.

3, Efeitos no nível do sistema da quebra do diodo
1. Interferência eletromagnética (EMI) e distorção de sinal
Quando um diodo quebra, a rápida mudança na corrente de curto-circuito gerará interferência eletromagnética de alta-frequência, que é acoplada ao circuito de controle por meio de capacitância parasita e causa distorção do sinal do acionador IGBT. Em um caso de conversor de energia eólica, a interferência EMI causada pela quebra do diodo de roda livre resultou em uma perda de pulso de 10 μs do sinal de acionamento IGBT, fazendo com que o torque do motor flutuasse além de 20% e acionando um alarme de vibração mecânica.
2. Mau funcionamento do circuito de proteção e paralisia do sistema
Os inversores modernos geralmente são equipados com funções de proteção contra sobrecorrente, sobretensão e sobretemperatura. No entanto, a quebra do diodo pode levar a um julgamento errado do circuito de proteção:
Operação incorreta da proteção contra sobrecorrente: A corrente de curto-circuito pode ser confundida com uma mudança repentina na carga, acionando a proteção limitadora de corrente e causando a operação de desclassificação do sistema;
Falha na proteção contra sobretensão: Se o diodo de fixação quebrar, o ponto de monitoramento de tensão do barramento falha e a proteção contra sobretensão não pode ser ativada;
Atraso na proteção contra superaquecimento: A temperatura no ponto de ruptura do diodo pode ser superior à temperatura no ponto de monitoramento do sensor, causando um atraso no acionamento da proteção contra superaquecimento.
Em um caso de inversor de tração em um determinado trânsito ferroviário, a quebra do diodo retificador causou mau funcionamento da proteção de sobrecorrente, resultando em frequente desclassificação do sistema. Eventualmente, devido ao acúmulo de calor, o módulo IGBT explodiu e o trem ficou parado por 12 horas.
4, Estratégia de Proteção e Projeto de Confiabilidade
1. Projeto de circuito: redundância e limitação de corrente
Projeto redundante: Na ponte retificadora é adotada uma configuração redundante "N+1", o que significa que diodos adicionais são conectados em paralelo. Quando um único diodo quebra, o sistema ainda pode operar com capacidade reduzida;
Resistor limitador de corrente: Conecte pequenos resistores de resistência (como 0,1 Ω/5W) em série através do diodo para limitar o pico de corrente de curto-circuito;
Circuito buffer RC: Adicione um circuito buffer RC (como C=0.1 μ F, R=10 Ω) ao circuito paralelo do diodo IGBT para absorver a sobretensão de desligamento e reduzir a tensão reversa do diodo.
2. Monitoramento do sistema: diagnóstico-em tempo real e manutenção preditiva
Detecção de imagem térmica infravermelha: Monitoramento em tempo real da temperatura do invólucro do diodo através de um termovisor infravermelho, disparando um alarme quando a temperatura excede o valor nominal de 15 graus;
Monitoramento de parâmetros elétricos: Monitoramento em tempo real da corrente do diodo através de sensores de corrente (como sensores Hall), e a proteção é ativada quando a corrente excede 1,2 vezes o valor nominal;
Previsão de falhas de IA: treine modelos de aprendizado de máquina com base em dados históricos para prever a vida útil restante (RUL) dos diodos e substituir componentes de alto-risco com antecedência.