Как диоды работают в системах с обратной связью по энергии?

一, Технические характеристики диодов: физические основы энергетической обратной связи
Диод представляет собой структуру PN-перехода, образованную полупроводником типа P- и полупроводником типа N-, а его основные характеристики включают:

Однонаправленная проводимость: проводит ток при прямом смещении (с напряжением проводимости примерно 0,6–0,7 В для кремниевых транзисторов и 0,2–0,5 В для диодов Шоттки) и выключается при обратном смещении (при наличии обратного тока утечки только на уровне микроампер).
Возможность быстрого переключения: время обратного восстановления диодов Шоттки близко к нулю, а время обратного восстановления диодов из карбида кремния (SiC) может быть сокращено до менее чем 10 наносекунд.
Характеристики сопротивления напряжению и току: Диоды промышленного класса могут выдерживать тысячи вольт и иметь сопротивление переходным токам, превышающим сотни ампер.
Эти характеристики позволяют ему выполнять три основные функции в системах энергетической обратной связи:

Выпрямление: начальный процесс преобразования переменного тока в постоянный для достижения обратной связи по энергии;
Непрерывный ток: в цепях привода двигателя или инвертора он обеспечивает путь тока для индуктивных нагрузок для предотвращения скачков напряжения;
Защита: изолируйте обратное напряжение, чтобы предотвратить воздействие на силовое оборудование во время процесса обратной связи.
2. Типичные сценарии применения: от новых энергетических транспортных средств до промышленных накопителей энергии.
1. Новая система рекуперации энергии торможения транспортного средства.
В процессе торможения электромобилей двигатель ступицы колеса переключается из режима движения в режим генерации, вырабатывая трехфазный переменный ток. На этом этапе диодный выпрямительный мост (обычно состоящий из 6 диодов) преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока, которая затем усиливается инвертором и заряжается в аккумуляторную батарею. Логика работы следующая:

Energy management strategy: The brake controller dynamically adjusts the recovery intensity based on the battery SOC (remaining charge). When SOC>80%, отменить восстановление энергии; Когда СОК<70%, full power recovery occurs.
Требования к выбору диода: используйте диоды Шоттки или SiC-диоды с низким прямым падением напряжения для уменьшения потерь проводимости. Например, после использования SiC-диодов Шоттки в определенной модели автомобиля эффективность восстановления при торможении увеличилась на 3%, а запас хода увеличился на 5 километров.
Конструкция управления температурным режимом: в условиях сильного тока корпус диода должен иметь структуру TO-247 или DFN8 × 8 с низким тепловым сопротивлением в сочетании с системой жидкостного охлаждения, чтобы обеспечить температуру перехода менее или равную 150 градусам.
2. Блок энергетической обратной связи для промышленных преобразователей частоты.
Во время фазы замедления оборудования, такого как лифты и краны, двигатель находится в генераторном состоянии, а генерируемая электрическая энергия подается обратно на конденсатор шины постоянного тока через диодный выпрямительный мост. При наличии избыточной энергии комбинация IGBT и диода в IPM (интеллектуальном силовом модуле) используется для преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока и подачи ее обратно в сеть. Его технологические особенности включают в себя:

Эффективное выпрямление: при использовании диодов с быстрым восстановлением (FRD) или SiC-диодов время обратного восстановления сокращается до 1/10 по сравнению с традиционными кремниевыми лампами, а потери на переключение снижаются на 70%.
Управление синхронизацией сети. Благодаря использованию технологии фазовой-автоподстройки частоты (ФАПЧ) ток обратной связи и напряжение сети синхронизируются по частоте и фазе с коэффициентом мощности, превышающим или равным 0,99.
Механизм защиты: диод TVS (подавление переходных напряжений) фиксирует скачки напряжения, чтобы предотвратить повреждение оборудования, вызванное ударами молнии или перенапряжением.
3. Двунаправленный преобразователь для накопительной электростанции.
В сценарии снижения пиковых нагрузок в электросети система накопления энергии обеспечивает переключение заряда-разряда через двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный. Диод играет в этом процессе двойную роль:

Режим зарядки: как компонент выпрямителя он преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока и сохраняет ее в аккумуляторе;
Режим разряда: как безынерционный диод, он обеспечивает путь тока для схемы инвертора, обеспечивая плавный выход энергии.
Если взять в качестве примера систему хранения энергии в 20-футовом контейнере, то ее BMS (система управления батареями) использует 1600-1800 TVS и диоды Шоттки для балансировки батарей, защиты от перенапряжения и предотвращения обратного подключения. После внедрения диодов Trench Schottky эффективность системы увеличилась на 0,4%, а годовая экономия электроэнергии одного блока превысила 1000 кВтч.