ما هو تأثير انهيار الدايود على العاكس؟

一، أنواع والآليات الفيزيائية لانهيار الصمام الثنائي
يمكن تقسيم انهيار الصمام الثنائي إلى نوعين: الانهيار الكهربائي والانهيار الحراري، وترتبط آلياتهما الفيزيائية ارتباطًا وثيقًا بخصائص المواد وتركيز المنشطات ودرجة الحرارة وعوامل أخرى.

1. الانهيار الكهربائي: عملية فيزيائية قابلة للعكس
يتضمن الانهيار الكهربائي آليتين: انهيار زينر وانهيار الانهيار الجليدي

انهيار زينر: يحدث في الوصلات PN شديدة التطعيم (مثل منظمات الجهد)، حيث يكون عرض طبقة الاستنفاد ضيقًا للغاية (<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 ميكرومتر). يعمل الجهد العكسي على تسريع الموجات الحاملة الأقلية، مما يؤدي إلى اصطدامها بالشبكة وتوليد موجات حاملة جديدة، مما يشكل تفاعلًا متسلسلًا جليديًا. يكون جهد انهيار الانهيار بشكل عام أعلى من 6 فولت وله معامل درجة حرارة موجب (يزداد جهد الانهيار مع درجة الحرارة).
الانهيار الكهربائي هو في الأساس عملية فيزيائية قابلة للعكس.

2. الانهيار الحراري: فشل كارثي لا رجعة فيه
عندما يستمر التيار العكسي في الزيادة بعد الانهيار الكهربائي، أو عند اتخاذ تدابير تيار لا نهائية في الدائرة، فإن استهلاك الطاقة لوصلة PN يتجاوز القيمة الحدية، مما يؤدي إلى ارتفاع حاد في درجة حرارة الوصلة. عند هذه النقطة، تكتسب إلكترونات التكافؤ في الرابطة التساهمية طاقة كافية للتحرر من القيود الذرية، وتشكيل عدد كبير من أزواج ثقب الإلكترون الحرة، مما يزيد من تفاقم النمو الحالي وتشكيل حلقة تغذية مرتدة إيجابية. في نهاية المطاف، يذوب وصلة PN بسبب ارتفاع درجة الحرارة، مما يشكل دائرة كهربائية قصيرة دائمة، تعرف باسم الانهيار الحراري. الانهيار الحراري لا رجعة فيه، وسوف يفقد الصمام الثنائي وظيفته تماما.

2، الضرر المباشر من انهيار الصمام الثنائي للعاكسات
تُستخدم الثنائيات الموجودة في العاكسات بشكل أساسي للتصحيح، والتحرك الحر، والتثبيت، ويمكن أن يؤدي انهيارها إلى انتشار الخطأ في مسارات مختلفة.

1. تصحيح انهيار الصمام الثنائي: ماس كهربائي وانفجار مكثف
في المحولات الكهروضوئية أو مصادر الطاقة الصناعية، يتكون جسر المقوم من 6 صمامات ثنائية (3 كاثود مشترك و3 أنود مشترك). إذا تم تفكيك صمام ثنائي واحد حرارياً لتكوين دائرة كهربائية قصيرة، فسوف يتسبب ذلك في توصيل الأقطاب الموجبة والسالبة لحافلة التيار المباشر مباشرة، مما يؤدي إلى دائرة كهربائية قصيرة. عند هذه النقطة، يسخن مكثف الترشيح بسرعة بسبب التيار الزائد، مما يتسبب في تبخر المنحل بالكهرباء وتوسعه، مما قد يؤدي إلى انفجار. على سبيل المثال، في محطة طاقة كهروضوئية معينة، تسبب انهيار الصمام الثنائي المقوم في انفجار المكثف الجانبي للتيار المستمر، مما أدى إلى إلغاء وحدة العاكس بالكامل وخسارة اقتصادية مباشرة تزيد عن 100000 يوان.
2. انهيار الصمام الثنائي المشبك: جهد الناقل خارج نطاق السيطرة
في المحولات-المتعددة المستويات، يتم استخدام الثنائيات المشبكية للحد من تقلبات جهد ناقل التيار المستمر. إذا تعطل صمام التثبيت الثنائي، فقد يتجاوز جهد الناقل نطاق جهد تحمل IGBT، مما يتسبب في انهيار السلسلة. على سبيل المثال، تعرض محول تردد الجهد المتوسط ​​إلى انهيار الصمام الثنائي المشبك، مما تسبب في ارتفاع جهد ناقل التيار المستمر من 600 فولت إلى 900 فولت، مما أدى إلى تلف جميع وحدات IGBT الـ 12 ووقت إيقاف تشغيل النظام لمدة تصل إلى 72 ساعة.

3، آثار مستوى النظام من انهيار الصمام الثنائي
1. التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وتشويه الإشارة
عندما يتعطل الصمام الثنائي، فإن التغير السريع في تيار الدائرة القصيرة-سيؤدي إلى توليد تداخل كهرومغناطيسي عالي التردد، والذي يقترن بدائرة التحكم من خلال السعة الطفيلية ويسبب تشويه إشارة محرك IGBT. في حالة محول طاقة الرياح، أدى تداخل EMI الناتج عن انهيار الصمام الثنائي الحر إلى فقدان نبض 10 ميكرو ثانية لإشارة محرك IGBT، مما تسبب في تقلب عزم دوران المحرك إلى ما يتجاوز 20٪ وإطلاق إنذار اهتزاز ميكانيكي.
2. سوء تشغيل دائرة الحماية وشلل النظام
عادة ما تكون المحولات الحديثة مجهزة بوظائف الحماية من التيار الزائد والجهد الزائد ودرجة الحرارة الزائدة. ومع ذلك، قد يؤدي انهيار الصمام الثنائي إلى سوء تقدير دائرة الحماية:
سوء تشغيل حماية التيار الزائد: قد يتم الخلط بين تيار الدائرة القصيرة وبين التغيير المفاجئ في الحمل، مما يؤدي إلى حماية الحد من التيار والتسبب في تباطؤ تشغيل النظام؛
فشل حماية الجهد الزائد: في حالة تعطل الصمام الثنائي المشبك، تفشل نقطة مراقبة جهد الناقل، ولا يمكن تنشيط حماية الجهد الزائد؛
تأخير الحماية من درجة الحرارة الزائدة: قد تكون درجة الحرارة عند نقطة انهيار الصمام الثنائي أعلى من درجة الحرارة عند نقطة مراقبة المستشعر، مما يتسبب في تأخير تشغيل الحماية من درجة الحرارة الزائدة.
في حالة عاكس الجر في عبور سكك حديدية معينة، تسبب انهيار الصمام الثنائي المقوم في سوء تشغيل حماية التيار الزائد، مما أدى إلى تباطؤ تشغيل النظام بشكل متكرر. في نهاية المطاف، بسبب تراكم الحرارة، انفجرت وحدة IGBT وتوقف القطار لمدة 12 ساعة.
4، استراتيجية الحماية وتصميم الموثوقية
1. تصميم الدوائر: التكرار والحد الحالي
التصميم المتكرر: في جسر المقوم، تم اعتماد تكوين متكرر "N+1"، مما يعني توصيل صمامات ثنائية إضافية على التوازي. عندما يتعطل صمام ثنائي واحد، يظل النظام قادرًا على العمل بقدرة منخفضة؛
المقاوم المحدد للتيار: قم بتوصيل مقاومات مقاومة صغيرة (مثل 0.1 Ω/5W) على التوالي عبر الصمام الثنائي للحد من ذروة تيار الدائرة القصيرة -؛
دائرة RC العازلة: أضف دائرة عازلة RC (مثل C=0.1 μ F، R=10 Ω) إلى الدائرة المتوازية للدايود IGBT لامتصاص الجهد الزائد عند إيقاف التشغيل وتقليل الضغط العكسي للصمام الثنائي.
2. مراقبة النظام: التشخيص في الوقت الفعلي-والصيانة التنبؤية
الكشف عن التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء: مراقبة في الوقت الحقيقي لدرجة حرارة غلاف الصمام الثنائي من خلال التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، مما يؤدي إلى إطلاق إنذار عندما تتجاوز درجة الحرارة القيمة المقدرة بـ 15 درجة؛
مراقبة المعلمات الكهربائية: مراقبة تيار الصمام الثنائي في الوقت الحقيقي من خلال أجهزة الاستشعار الحالية (مثل أجهزة استشعار القاعة)، ويتم تنشيط الحماية عندما يتجاوز التيار 1.2 مرة القيمة المقدرة؛
التنبؤ بأخطاء الذكاء الاصطناعي: تدريب نماذج التعلم الآلي استنادًا إلى البيانات التاريخية للتنبؤ بالعمر المتبقي (RUL) للثنائيات واستبدال المكونات -عالية الخطورة مقدمًا.