Kā izmantot diodes, lai panāktu vienvirziena enerģijas pārvadi mikrotīklos?

1, Diožu vienvirziena vadītspējas fiziskais pamats
Diodes kodola struktūra ir PN pāreja, ko veido P- tipa pusvadītāja (ar augstu caurumu koncentrāciju) un N- tipa pusvadītāja (ar augstu elektronu koncentrāciju) kombinācija. PN savienojuma saskarnē elektroni izkliedējas no N apgabala uz P apgabalu, un caurumi izkliedējas no P apgabala uz N apgabalu, izraisot P apgabala negatīvu lādiņu krustojuma tuvumā un N apgabala pozitīvu uzlādi krustojuma tuvumā, veidojot iekšējo elektrisko lauku (telpas lādiņa apgabalu). Šim elektriskajam laukam ir divas galvenās īpašības:

Pozitīvā vadītspēja: ja P apgabals ir savienots ar barošanas avota pozitīvo polu un N apgabals ir savienots ar negatīvo polu, ārējais elektriskais lauks vājina iebūvēto-elektrisko lauku, telpas lādiņa apgabals sašaurinās, un lielākā daļa nesēju (elektronu un caurumu) var šķērsot savienojuma apgabalu, veidojot strāvu, kā rezultātā diode ir zema pretestība.
Reversā nogriešana: kad P apgabals ir savienots ar negatīvo elektrodu un N apgabals ir savienots ar pozitīvo elektrodu, ārējais elektriskais lauks pastiprina iebūvēto-elektrisko lauku, telpas lādiņa apgabals paplašinās, lielākā daļa lādiņu nesēju tiek bloķēti un tikai daži lādiņnesēji veido nelielu apgriezto strāvu (noplūdes strāvu), kā rezultātā diode ir augsta pretestība.
Šis raksturlielums padara diodes par ideālu sastāvdaļu vienvirziena enerģijas plūsmas sasniegšanai. Kā piemēru ņemot silīcija diodes, to tiešās vadīšanas sprieguma kritums ir aptuveni 0,6–0,7 V, un to apgrieztā pārtraukuma spriegums var sasniegt vairākus simtus voltu, kas var atbilst izolācijas prasībām no zemsprieguma līdzstrāvas (piemēram, 48 V) līdz vidēja sprieguma līdzstrāvai (piemēram, 400 V) mikrotīklos.

2, pamatprasība vienvirziena enerģijas pārvadei mikrotīklos
Mikrotīklu enerģijas plūsmai ir vairāku -avotu, divvirzienu un dinamiskas īpašības, un tās enerģijas pārvaldībai ir jārisina trīs galvenās problēmas.

Izolācija starp barošanas avotiem: lai novērstu dažādu enerģijas avotu (piemēram, fotoelementu, enerģijas uzkrāšanas, dīzeļa ģeneratoru) ietekmi viens uz otru sprieguma svārstību vai bojājumu dēļ.
Enerģijas atgriezeniskās saites kontrole: lai novērstu enerģijas plūsmu atpakaļ vājajā tīklā un izraisītu sprieguma paaugstināšanos motora bremzēšanas vai fotoelementu ģenerēšanas laikā.
Ātra bojājuma izolēšana: ja strāvas padevei vai slodzei rodas īssavienojums, bojājuma ceļš tiek nogriezts, lai novērstu bojājuma izplatīšanos.
Tradicionālie risinājumi balstās uz kontaktoriem vai automātiskiem slēdžiem, taču tiem ir lēns reakcijas laiks (milisekundēs), mehānisks nodilums un citas problēmas. Diode ar nanosekundes reakcijas ātrumu un bez mehāniskiem kontakta raksturlielumiem ir kļuvusi par galveno sastāvdaļu ātras un uzticamas enerģijas izolācijas panākšanai.

3. Tipiski diožu pielietojuma scenāriji mikrotīklos
(1) Līdzstrāvas kopnes enerģijas vienvirziena pārraide
Līdzstrāvas mikrotīklos diodes parasti izmanto, lai izveidotu vienvirziena vadošus savienojumus, kas ļauj kontrolēt enerģijas plūsmu starp dažādu sprieguma līmeņu kopnēm. Piemēram:

Fotoelementu enerģijas uzglabāšanas sistēma: fotoelementu bloks nodrošina strāvu 48 V līdzstrāvas kopnei, izmantojot diodes, un enerģijas uzglabāšanas akumulators ir savienots ar to pašu kopni, izmantojot līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotāju. Kad fotoelementu izejas jauda pārsniedz slodzes pieprasījumu, diode neļauj enerģijai ieplūst atpakaļ fotoelektriskajā panelī, izvairoties no paneļa bojājumiem apgrieztās nobīdes sildīšanas dēļ; Tikmēr enerģijas uzglabāšanas sistēma absorbē lieko enerģiju, izmantojot divvirzienu līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotājus.
Vairāku enerģijas avotu paralēls savienojums: vēja saules enerģijas uzkrāšanas papildinošajā mikrotīklā dažādi strāvas avoti ir savienoti paralēli līdzstrāvas kopnei, izmantojot diodes. Kad strāvas padeve izslēdzas kļūmes dēļ, diode automātiski pārtrauc savienojumu ar kopni, lai novērstu bojājuma sprieguma ietekmi uz citiem barošanas avotiem.
(2) Enerģijas atgriezeniskās saites slāpēšana komunikācijas pusē
Sakaru mikrorežģī diožu kombinācija ar tiristoriem vai IGBT var izveidot enerģijas atgriezeniskās saites slāpēšanas ķēdes. Piemēram:

Motora piedziņas sistēma: Kad motors ir bremzēšanas stāvoklī, reģenerētā enerģija caur reversām paralēlām diodēm tiek padots atpakaļ uz līdzstrāvas kopni. Ja kopnes spriegums ir pārāk augsts, diode tiek savienota virknē ar bremzēšanas rezistoru, lai pārvērstu lieko enerģiju siltumenerģijas patēriņā, novēršot līdzstrāvas kopnes pārspriegumu.
Sadalīts ģenerācijas tīkla savienojums: Invertora izejas galā diodes var novērst enerģijas ieplūšanu atpakaļ invertorā tīkla bojājumu (piemēram, sprieguma pārspriegumu) gadījumā, aizsargājot barošanas ierīces no pārslodzes bojājumiem.
(3) Ātra bojājumu izolācija un aizsardzība
Diodēm ir unikālas priekšrocības mikrorežģa bojājumu aizsardzībā. Piemēram:

Līdzstrāvas īssavienojuma-aizsardzība: līdzstrāvas mikrotīklā, ja atzarā rodas īssavienojums, īssavienojuma strāva caur diodi veidos zemas pretestības ķēdi. Šobrīd ātrais drošinātājs vai ķēdes pārtraucējs var noteikt pārstrāvas signālu un nogriezt bojāto atzaru, savukārt diode var novērst īssavienojuma strāvas plūsmu atpakaļ uz citiem veseliem zariem.
Zemējuma defektu izolācija: IT zemējuma sistēmās diodes var izmantot, lai izveidotu izolācijas uzraudzības shēmas. Kad noteiktā fāzē rodas zemējuma defekts, diode vada nelielu strāvu, un uzraudzības ierīce nosaka bojājuma punktu, nosakot šo strāvu. Tajā pašā laikā diode ierobežo bojājuma strāvas amplitūdu, lai novērstu aprīkojuma bojājumus.
4, Galvenie tehniskie punkti inženiertehniskajā praksē
(1) Diodes izvēle un parametru saskaņošana
Mikrotīkla lietojumos, izvēloties diodes, jāņem vērā šādi parametri:

Nominālais spriegums: Tam jābūt lielākam par sistēmas maksimālo darba spriegumu un jāatstāj 20% -50% rezerve. Piemēram, 400 V līdzstrāvas kopnē jāizvēlas diodes ar 600 V vai lielāku izturīgu spriegumu.
Nominālā strāva: tā jāizvēlas, pamatojoties uz maksimālo slodzes strāvu un pārslodzes jaudu. Piemēram, fotoelektriskajā sistēmā diodes nominālajai strāvai jābūt lielākai par fotoelektriskā bloka īssavienojuma strāvu-.
Reversais atkopšanas laiks: augstas{0}}frekvences pārslēgšanas lietojumprogrammās (piemēram, PWM modulācijā) ātras atkopšanas diodes ar īsu reversās atkopšanas laiku (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Termiskā pretestība un siltuma izkliede: diodes savienojuma temperatūrai jābūt kontrolētai zem 150 grādiem, un atbilstoši enerģijas patēriņam jāizvēlas piemērota siltuma izkliedes metode (piemēram, dabiskā dzesēšana, gaisa dzesēšana vai šķidruma dzesēšana).
(2) Sistēmas topoloģijas optimizācija
Mikrorežģu diožu topoloģijas struktūra jāveido atbilstoši īpašām prasībām. Piemēram:

Sērijveida diode: izmanto, lai uzlabotu izturīgu sprieguma līmeni, taču jāpievērš uzmanība sprieguma izlīdzināšanai, lai novērstu diodes pārsprieguma sadalījumu nevienmērīga sprieguma sadalījuma dēļ.
Paralēlā diode: izmanto, lai uzlabotu strāvas nestspēju, taču uzmanība jāpievērš strāvas sadalei, lai novērstu diodes pārkaršanu un bojājumus nevienmērīga strāvas sadalījuma dēļ.
Diodes MOSFET/IGBT hibrīda topoloģija: scenārijos, kur nepieciešama divvirzienu enerģijas plūsma, var izmantot diodes un MOSFET/IGBT hibrīda topoloģiju. Piemēram, divvirzienu līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotājos diodes tiek izmantotas vienvirziena vadīšanai, bet MOSFET - reversai vadīšanai, panākot enerģijas divvirzienu plūsmas kontroli.
(3) Sadarbības kontroles stratēģija
Diožu enerģijas pārvaldība mikrotīklos ir jāsaskaņo ar kontroles stratēģijām. Piemēram:

Enerģijas pārvaldības algoritms, kas balstīts uz diodēm: uzraugot līdzstrāvas kopnes spriegumu un dažādu barošanas avotu izejas jaudu, dinamiski regulējot diožu vadītspējas stāvokli, lai panāktu optimālu enerģijas sadali.
Bojājumu aizsardzības stratēģija: izstrādājiet ātrus un uzticamus kļūdu noteikšanas un izolācijas algoritmus, pamatojoties uz diožu vadītspējas īpašībām. Piemēram, kad noteiktā atzarā tiek konstatēta nenormāla strāva, šī atzara diode nekavējoties tiek nogriezta, lai novērstu bojājuma izplatīšanos.
5. Gadījuma izpēte: Diožu pielietojums salu mikrotīklos
Mikrotīkla projekts noteiktā salā izmanto līdzstrāvas kopņu arhitektūru, integrējot fotoelementus, enerģijas uzkrāšanu, dīzeļģeneratorus un slodzes. Energopārvaldības plāns ir šāds:

Fotoelementu sistēma: fotoelementu bloks nodrošina strāvu 48 V līdzstrāvas kopnei caur diodēm, kas neļauj enerģijai plūst atpakaļ fotoelektriskajā panelī naktī vai bojājumu laikā.
Enerģijas uzglabāšanas sistēma: litija baterijas ir savienotas ar kopni, izmantojot divvirzienu līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotāju, lai panāktu enerģijas uzlādes un izlādes kontroli.
Dīzeļģenerators: kā rezerves barošanas avots tas ir savienots ar kopni caur diodēm, lai novērstu enerģijas atpakaļplūsmu no kopnes, kad ģenerators ir izslēgts.
Slodzes vadība: līdzstrāvas slodzes ir tieši savienotas ar kopni, savukārt maiņstrāvas slodzes ir savienotas ar invertoru. Invertora izejas spaile ir aprīkota ar diodēm, lai tīkla bojājumu gadījumā neļautu enerģijai ieplūst atpakaļ invertorā.
Šī shēma nodrošina drošu izolāciju un vienvirziena enerģijas plūsmu starp fotoelektriskajiem, enerģijas uzglabāšanas un dīzeļģeneratoriem, izmantojot diodes, uzlabojot sistēmas efektivitāti līdz 92% un saīsinot kļūdu reakcijas laiku līdz 10 μs.