Kā panākt diožu strāvu izolāciju daudzpakāpju invertora sistēmās?

一, Diodes strāvas izolācijas fiziskais pamats
Diožu kodola izolācijas spēja izriet no PN savienojumu vienvirziena vadītspējas. Kad tie ir novirzīti uz priekšu, caurumi P apgabalā un elektroni N apgabalā izkliedējas, veidojot zemas pretestības ceļu, un ieslēgšanas pretestība var būt pat 0,1 Ω; Ja ir apgrieztā nobīde, noplicināšanas slāņa platums palielinās, palielinoties spriegumam, veidojot megaohm līmeņa augstas pretestības izolāciju un bloķējot reversās strāvas spēju līdz mikroampēru līmenim. Šī asimetriskā vadītspēja padara to par dabiskās strāvas izolācijas ierīci.

Daudzpakāpju invertora sistēmā diodes nodrošina starppakāpju izolāciju, izveidojot vienvirziena strāvas ceļu. Piemēram, divpakāpju fotoelektriskajā invertorā izolācijas diode, kas paralēli pievienota pie priekšējā-līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotāja izejas, var novērst strāvas atpakaļplūsmu, ko izraisa aizmugures-invertora darbības traucējumi, un aizsargāt priekšējās-barošanas ierīces. Eksperimentālie dati liecina, ka, izmantojot signāla diodi 1N4148, reversā noplūdes strāva ir tikai 0,1 μA pie 50 V reversa sprieguma, un efektīvā izolācija pārsniedz 99,999%.

2. Tipiskas izolācijas lietojumprogrammas daudzpakāpju invertora sistēmās
1. Strāvas ceļa izvēle kaskādes H-tilta invertoriem
Kaskādes H-tilta STATCOM (statiskajā sinhronajā kompensatorā) katra H-tilta iekārta ir savienota paralēli caur līdzstrāvas sānu kondensatoru. Ja noteiktā vienībā rodas līdzstrāvas sānu kondensatora īssavienojuma kļūme, Šotkija diodes (piemēram, SB560, ar 0,5 V tiešā sprieguma kritumu), kas savienotas paralēli abiem kondensatora galiem, var automātiski bloķēt bojājuma strāvas izplatīšanos uz citām veselām vienībām. Simulācija parāda, ka šī shēma ļauj sistēmai pabeigt defektu izolēšanu 0,1 ms laikā, kas ir par trīs kārtas ātrāk nekā tradicionālās releju shēmas reakcijas ātrumā.

2. Moduļu daudzlīmeņu pārveidotāja (MMC) apakšmoduļu izolācija
MMC apakšmodulis izmanto pustilta struktūru. Ja apakšmoduļa kondensatora spriegums ir nelīdzsvarots, sērijveidā pieslēgtā ātrās atkopšanas diode (piemēram, RF306, reversās atkopšanas laiks 35ns) var novērst kondensatora pārlādēšanu. Saskaņā ar Tennet ± 500kV līdzstrāvas pārvades projekta Vācijā datiem, pēc šīs shēmas pieņemšanas apakšmoduļa kondensatora sprieguma svārstību diapazons samazinājās no ± 15% līdz ± 3%, un sistēmas efektivitāte uzlabojās par 1,2 procentpunktiem.

3. Redundants barošanas avota dizains fotoelementu tīklam pieslēgtiem invertoriem
Stīgu fotoelementu invertoros tiek izmantoti vairāki MPPT (maksimālā jaudas punkta izsekošanas) kanāli, lai panāktu jaudas dublēšanu, izmantojot diodes vai vārtu ķēdes. Kad noteikta kanāla izejas jauda samazinās ēnu šķēršļu dēļ, Šotkija diode (piemēram, MBR2045CT, ar tiešā sprieguma kritumu 0,32 V) automātiski pārslēdzas uz veselīgu kanālu, lai nodrošinātu stabilu izejas jaudu. Testi ir parādījuši, ka šī shēma var palielināt fotoelektrisko bloku enerģijas ražošanu par 8–12%, īpaši daļēji traucētos scenārijos, kur priekšrocības ir nozīmīgas.

3. Inženiertehniskās optimizācijas un veiktspējas uzlabošanas stratēģijas
1. Zema zuduma diožu izvēle
Tradicionālo silīcija diožu tiešā sprieguma kritums (0,6–0,7 V) var izraisīt ievērojamus zudumus lielas strāvas lietojumos. Izmantojot silīcija karbīda (SiC) Schottky diodes (piemēram, C3D06060A, tiešā sprieguma kritums) 1,3 V@10A. Tas var samazināt vadītspējas zudumus par 60%. 100kW fotoelektriskajā invertorā šī shēma samazina diodes zudumus no 120W līdz 48W un uzlabo sistēmas efektivitāti par 0,05 procentpunktiem.

2. Reversās atkopšanas funkcijas optimizācija
Augstas-frekvences slēdžu lietojumprogrammās diožu apgrieztais atkopšanas laiks (trr) tieši ietekmē slēdžu zudumus. Ātrās atkopšanas diožu (piemēram, FR307, trr=100ns) izmantošana var samazināt IGBT pārslēgšanās zudumus par 35%, salīdzinot ar parastajiem taisngriežiem (trr{5}}ns). Pēc šīs shēmas pieņemšanas Siemens SIRIUS sērijas invertoru pilnas slodzes efektivitāte palielinājās no 98,2% līdz 98,7%.

3. Integrēts izolācijas risinājums
Ideālais diodes kontrolleris, kura pamatā ir MOSFET (piemēram, LM5050), ar aktīvo vadību nodrošina nulles reversās atkopšanas laiku. Tesla Megapack enerģijas uzglabāšanas sistēmā šis risinājums samazina starpkopu izolācijas zudumus no 2,5 W līdz 0,3 W un uzlabo sistēmas cikla efektivitāti par 0,2 procentpunktiem. Tajā pašā laikā tā 0,05 V vadītspējas sprieguma kritums ir samazināts par 90%, salīdzinot ar tradicionālajām diodēm, ievērojami uzlabojot enerģijas pārveidošanas efektivitāti.

4, Frontier tehnoloģiju tendences
1. Platjoslas pusvadītāju ierīču pielietojums
Gallium nitride (GaN) diodes are gradually replacing silicon devices in high-end fields such as 5G base station power supplies and aerospace power supplies due to their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1 GHz). EPC uzņēmuma EPC2054 GaN diodei tiešā sprieguma kritums ir tikai 0,2 V pie 10 A strāvas, kas ir par 85% zemāks nekā SiC ierīcēm.

2. Inteliģentas izolācijas tehnoloģijas integrācija
Viedais diodes modulis apvienojumā ar digitālās vadības tehnoloģiju var sasniegt dinamisku sprieguma krituma kompensāciju un kļūdu prognozēšanu. Uzņēmuma ABB ieviestā viedo izolācijas diožu sērija Power Grid reāllaikā uzrauga tādus parametrus kā krustojuma temperatūra un strāva, izmantojot iebūvētos -sensorus, un brīdina par iespējamiem bojājumiem 0,5 ms iepriekš, palielinot sistēmas vidējo laiku starp kļūmēm (MTBF) līdz 200 000 stundām.

5, Galvenie apsvērumi inženiertehniskajā praksē
1. Parametru saskaņošanas dizains
Izvēloties diodes, ir rūpīgi jāapsver tiešā sprieguma kritums (Vf), reversais atkopšanas laiks (trr), maksimālais apgrieztais spriegums (VRRM) un nominālā strāva (IF). Piemēram, 1500 V fotoelektriskajā sistēmā ir jāizvēlas diodes ar VRRM, kas ir lielākas par vai vienādas ar 1800 V, un jārezervē 30% strāvas rezerve.

2. Siltumvadības optimizācija
Lieljaudas{0}}lietotnēs diodes savienojuma temperatūras kontrole ir ļoti svarīga. Saliktā siltuma izkliedes shēma, izmantojot siltumvadītspējīgu silikona smērvielu (termiskā pretestība 0,5 grādi / W) un alumīnija substrātu (termiskā pretestība 1 grāds / W), var samazināt savienojuma temperatūru no 125 grādiem līdz 85 grādiem zem 100 A strāvas, pagarinot ierīces kalpošanas laiku vairāk nekā trīs reizes.

3. Elektromagnētiskās saderības dizains
Diožu slēdžu radītais di/dt troksnis ir jānomāc ar RC bufera ķēdi. 10 kW invertorā bufera ķēde, kurā tiek izmantoti 0,1 μF plēves kondensatori un 10 Ω rezistori, var samazināt sprieguma pārsniegumu no 50 V līdz 5 V, kas atbilst IEC 61000-4-5 elektromagnētiskās saderības standartam.

6, Rūpniecības pieteikumu lietas
1. Huawei SUN2000-125KTL fotoelementu pārveidotājs
Šim izstrādājumam ir izmantota kaskādes H-tilta topoloģija, katrai H-tilta izejai ir pievienota paralēli ātras atkopšanas diodei (BYV29-1000, trr=50ns), lai panāktu starppakāpju strāvas izolāciju. Faktiskie testa dati liecina, ka daļēji traucētu scenāriju gadījumā sistēmas elektroenerģijas ražošana tiek palielināta par 9,3%, salīdzinot ar tradicionālajiem risinājumiem, un efektivitāte Eiropā sasniedz 98,8%.

2. Siemens SICAM AIS režģa stabilizators
STATCOM lietojumprogrammās ierīce izmanto silīcija karbīda diožu moduļus (C4D20120D), lai samazinātu apakšmoduļu pārslēgšanas zudumus par 40%. Faktiskais Vācijas elektrotīkla mērījums liecina, ka sistēmas reakcijas laiks ir saīsināts no 10 ms līdz 3 ms, un dinamiskās reaktīvās jaudas atbalsta jauda ir palielināta trīs reizes.