ما هي عواقب دائرة قصر الصمام الثنائي أو الدائرة المفتوحة على نظام الطاقة؟

一, التفاعل المتسلسل لخطأ الدائرة القصيرة للدايود
1. آلية ماس كهربائى وظروف التشغيل
عادة ما يكون سبب ماس كهربائى في الصمام الثنائي هو انهيار الرقاقة، أو تشقق التغليف، أو اللحام السيئ. في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية، قد يؤدي امتصاص الرطوبة وتمدد مواد التعبئة والتغليف إلى كسر طبقة المعدن الداخلية؛ في سيناريوهات الجهد الزائد، قد تعمل تقاطعات PN بشكل دائم بسبب انهيار الانهيار الجليدي. على سبيل المثال، واجه مشروع العاكس الكهروضوئي دائرة كهربائية قصيرة خلال 10 مللي ثانية بسبب الجهد الزائد العكسي للصمام الثنائي الناتج عن ضربات البرق.

2. التأثير على مستوى النظام
(1) التغير في مسار نقل الطاقة
فشل دائرة المقوم: في دائرة مقوم الجسر، إذا كان الصمام الثنائي قصير الدائرة، فسوف يتسبب في التوصيل المباشر بين جانبي التيار المتردد والتيار المستمر، مما يؤدي إلى تشبع المحول أو المحث. نظرًا لوجود دائرة كهربائية قصيرة في الصمام الثنائي المقوم لمشروع معين لنظام تخزين الطاقة، ارتفع تيار الإدخال إلى ثلاثة أضعاف القيمة المقدرة، واحترق المحول في غضون 5 ثوانٍ.
دائرة قصر في الدائرة الحرة: في دوائر تشغيل المحرك أو دوائر تخزين الطاقة الحثية، يمكن أن يؤدي وجود دائرة قصر-في الصمام الثنائي الحر إلى إتلاف مسار ردود فعل الطاقة. على سبيل المثال، في مشروع عاكس معين للسيارة الكهربائية، بسبب ماس كهربائي في الصمام الثنائي الحر، تم تطبيق القوة الدافعة الكهربائية الخلفية للمحرك مباشرة على جهاز الطاقة، مما تسبب في انفجار وحدة IGBT خلال 100 ميكرو ثانية.
(2) فشل آلية الحماية
فشل الحماية العكسية: في أنظمة التيار المستمر، يمكن أن تتسبب دائرة كهربائية قصيرة في الصمام الثنائي المضاد للعكس في حدوث ضرر مباشر للمعدات عند عكس قطبية الطاقة. تعرض مشروع UPS في مركز بيانات معين لخسائر تزيد عن 500000 يوان بسبب ماس كهربائى -للصمام الثنائي المضاد للعكس، مما تسبب في احتراق وحدة المقوم أثناء عملية الصيانة الخاطئة.
تجاوز الحماية من الجهد الزائد: ستؤدي دائرة قصر الصمام الثنائي TVS إلى فقدان وظيفة التثبيت، وسيتم نقل الجهد الزائد مباشرة إلى الدائرة اللاحقة. نظرًا لقصر دائرة الصمام الثنائي TVS في مشروع مصفوفة كهروضوئية معينة، ارتفع جهد الخرج للمكونات إلى 1000 فولت (تصنيف 600 فولت)، مما تسبب في -فشل العاكس على نطاق واسع.
(3) خطر الانفلات الحراري
تؤدي الدائرة القصيرة إلى تغيير مسار التيار، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في كثافة التيار المحلي. أظهر اختبار مشروع محول طاقة الرياح أنه بعد حدوث ماس كهربائي في الصمام الثنائي، ارتفعت درجة حرارة الوصلة لأجهزة الطاقة المجاورة من 85 درجة إلى 200 درجة خلال ثانيتين، مما تسبب في الهروب الحراري المتسلسل.

2 ، المخاطر النظامية لأخطاء الدائرة المفتوحة للديود
1. آلية الدائرة المفتوحة والسيناريوهات النموذجية
عادة ما يكون سبب الدائرة المفتوحة هو انهيار اللحام، أو كسر الرقاقة، أو كسر الرصاص. في بيئات الاهتزاز (مثل السيارات الكهربائية)، يعد كسر إجهاد الرصاص سببًا شائعًا؛ في سيناريوهات درجات الحرارة المرتفعة، قد يؤدي عدم التطابق بين معامل التمدد الحراري للتغليف والرقاقة إلى حدوث تشقق.

2. التأثير على مستوى النظام
(1) انقطاع نقل الطاقة
خسارة خرج التصحيح: في دائرة التصحيح ذات -ثلاث مراحل، إذا كان الصمام الثنائي مفتوح الدائرة، فسوف يتسبب ذلك في زيادة تموج جهد الخرج. تسبب مشروع معين لإمدادات الطاقة الصناعية في زيادة تموج جهد الخرج من 5% إلى 30% بسبب الدائرة المفتوحة للصمام الثنائي، مما أدى إلى سوء تشغيل معدات التحميل.
دائرة حرة منفصلة: في دائرة تخزين الطاقة الحثية، يمكن أن يتسبب الصمام الثنائي الحر المفتوح في عدم إطلاق طاقة المحرِّض في أي مكان، مما يؤدي إلى ارتفاع الجهد الكهربائي. شهد مشروع محرك LED معين ارتفاعًا في جهد المحث إلى 800 فولت (مقدر بـ 400 فولت) بسبب وجود دائرة مفتوحة في الصمام الثنائي الحر، مما أدى إلى تعطل MOSFET.
(2) فقدان وظيفة الحماية
فشل حماية التيار الزائد: في مجموعة الثنائيات المتوازية، إذا كان أحد الثنائيات مفتوحًا، فإن الثنائيات المتبقية تحتاج إلى تحمل تيار أكبر. تسبب مشروع معين لدائرة موازنة بطارية تخزين الطاقة في زيادة التحميل واحتراق الثنائيات الأخرى بسبب الدائرة المفتوحة لأحد الصمامات الثنائية، مما أدى إلى الشحن الزائد لحزمة البطارية.
فشل وظيفة العزل: في حماية مستوى الوحدة الكهروضوئية، يمكن أن تؤدي الدائرة المفتوحة في الصمام الثنائي الالتفافي إلى تفاقم تأثير النقطة الساخنة. بسبب الدائرة المفتوحة للصمام الثنائي الالتفافي في مشروع معين لمحطة الطاقة الكهروضوئية، ارتفعت درجة حرارة مكون معين إلى 150 درجة تحت عائق الظل، مما تسبب في كسر الزجاج.
(3) انخفاض استقرار النظام
يمكن أن تسبب الدائرة المفتوحة تغييرات في طوبولوجيا الدائرة، مما قد يؤدي إلى الرنين أو التذبذب. واجه مشروع معين لوحدة شحن السيارة الكهربائية دائرة مفتوحة للصمام الثنائي، مما تسبب في تفكيك دائرة الرنين ذات المسؤولية المحدودة وتقلب جهد الخرج بأكثر من ± 15%، مما أدى إلى إيقاف التشغيل الوقائي.

3، عواقب الأخطاء في أنظمة الطاقة النموذجية
1. نظام توليد الطاقة الكهروضوئية
التأثير على مستوى المكون: يمكن أن تتسبب الدائرة المفتوحة في الصمام الثنائي الالتفافي في تجاوز درجة حرارة البقعة الحرارية للمكون الحد عند إعاقة جزئيًا، مما يؤدي إلى تسريع شيخوخة مواد التغليف؛ قد تتسبب الدائرة القصيرة في حدوث خطأ في القوس الجانبي للتيار المستمر. وفقًا لإحصائيات محطة الطاقة الكهروضوئية بقدرة 5 ميجاوات، يمثل فشل الصمام الثنائي 18% من فشل المكونات، مما يؤدي إلى خسارة سنوية تزيد عن 500000 كيلووات ساعة من توليد الطاقة.
تأثير مستوى العاكس: يمكن أن تؤدي الدائرة القصيرة للصمام الثنائي المقوم إلى عدم التحكم في جهد ناقل التيار المستمر، مما يؤدي إلى انفجار وحدة IGBT؛ تؤدي الدائرة المفتوحة إلى تيار دخل متقطع، مما يسبب ضوضاء واهتزاز المحولات.
2. نظام تخزين الطاقة
تأثير موازنة البطارية: يمكن أن تؤدي الدائرة المفتوحة في الصمام الثنائي لدائرة الموازنة إلى زيادة عدم الاتساق في حزمة البطارية وتقصير عمر الدورة؛ قد تتسبب الدائرة القصيرة في الشحن الزائد/التفريغ الزائد. بسبب خطأ في الصمام الثنائي المتوازن لمشروع محطة طاقة معينة لتخزين الطاقة، ارتفع معدل تدهور قدرة حزمة البطارية من 3% سنويًا إلى 8% سنويًا.
تأثير تحويل DC/DC: يمكن أن تؤدي الدائرة المفتوحة للصمام الثنائي المقوم المتزامن إلى انخفاض الكفاءة بأكثر من 10%؛ قد تؤدي الدائرة القصيرة إلى تجاوز جهد الخرج.
3. نظام شحن المركبات الكهربائية
تأثير وحدة الشحن: يمكن أن تتسبب دائرة قصر الصمام الثنائي لدائرة PFC في تجاوز معدل تشويه تيار الإدخال للمعايير، مما يؤدي إلى حماية الشبكة؛ ستؤدي الدائرة المفتوحة إلى انخفاض عامل الطاقة إلى أقل من 0.7 ويؤدي إلى فرض غرامة من شبكة الكهرباء.
تأثير شاحن السيارة: الدائرة المفتوحة للصمام الثنائي لمقوم الإخراج ستتسبب في انقطاع الشحن؛ قد تؤدي الدائرة القصيرة إلى زيادة الجهد في البطارية. في إحدى حوادث استدعاء المركبات، تم استدعاء أكثر من 20000 مركبة بسبب خطر حدوث ماس كهربائي في الصمام الثنائي الناتج.
4، تشخيص الأخطاء واستراتيجية الحماية
1. تكنولوجيا المراقبة عبر الإنترنت
مراقبة الجهد/التيار: مراقبة الجهد والتيار عبر الصمام الثنائي في الوقت الحقيقي من خلال مستشعرات Hall، مما يؤدي إلى إطلاق إنذار إذا كان هناك تقلب غير طبيعي يتجاوز 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 درجة)، سيتم إيقاف التشغيل تلقائيًا.
تحليل طيف المعاوقة: من خلال حقن إشارات عالية التردد-لكشف المقاومة المتسلسلة المكافئة للثنائيات، تقترب المعاوقة من اللانهاية في الدائرة المفتوحة وتقترب من الصفر في الدائرة القصيرة.
2. تصميم زائدة عن الحاجة
التكرار المتوازي: يتم توصيل الثنائيات المتعددة بالتوازي في الدوائر الحرجة، ولا يزال بإمكان النظام العمل في حالة حدوث خطأ واحد. على سبيل المثال، يستخدم عاكس طاقة الرياح 4 ثنائيات SiC متوازية، وتنخفض كفاءة النظام بنسبة 2% فقط بعد دائرة مفتوحة واحدة.
المسار الاحتياطي: قم بتثبيت مفتاح ميكانيكي بالتوازي مع الصمام الثنائي في الدائرة المضادة للعكس، وقم بالتبديل تلقائيًا إلى مسار التبديل عندما يفشل الصمام الثنائي.
3. ترقيات المواد والعمليات
التعبئة والتغليف المقاومة للرطوبة: يتم استخدام التغليف الخزفي أو المحكم للتحقق من الموثوقية من خلال اختبار مزدوج 85 (85 درجة / 85٪ رطوبة نسبية / 1000 ساعة).
اللحام منخفض الضغط: استخدم اللحام الخالي من الرصاص- والأسلاك المرنة للتحقق من مقاومة الكلال من خلال اختبار الاهتزاز (مثل 5-2000 هرتز/10 جم).
5، دراسة الحالة: خطأ الصمام الثنائي في محول طاقة الرياح البحرية
يقع مشروع معين لطاقة الرياح البحرية في منطقة معرضة للأعاصير، وقد استخدم التصميم الأصلي صمامات ثنائية عادية تعتمد على السيليكون. بعد عامين من التشغيل، انكسرت أسلاك الصمام الثنائي المتعددة (الدائرة المفتوحة) بسبب الاهتزاز، وقصرت دائرة 3 صمامات ثنائية بسبب التآكل الناتج عن رش الملح. خلل يسبب:

انقطاع نقل الطاقة: تم إيقاف تشغيل 12 عاكسًا، مما أدى إلى خسارة يومية تزيد عن 50 ميجاوات في الساعة من توليد الطاقة لكل عاكس؛
تلف سلسلة المعدات: انفجار وحدة IGBT بسبب ماس كهربائى، وتكلفة الإصلاح تتجاوز 2 مليون يوان؛
تدهور استقرار النظام: تؤدي الدائرة المفتوحة إلى تيار دخل متقطع، وتصل ضوضاء المحول إلى 85 ديسيبل (التصميم<65dB).
تتضمن خطة التحسين ما يلي:

ترقية الجهاز: استبدله بثنائيات SiC والتغليف الخزفي؛
التعزيز الهيكلي: استخدام أقواس تقليل الاهتزاز وثلاث طبقات مقاومة؛
ترقية المراقبة: نشر أجهزة استشعار درجة الحرارة والاهتزاز بالأشعة تحت الحمراء.
بعد التحسين، ظل النظام يعمل بشكل مستمر لمدة 3 سنوات دون أي أعطال في الصمام الثنائي، مع زيادة سنوية في توليد الطاقة بنسبة 12% وانخفاض في تكاليف الصيانة بنسبة 70%.