Как влияет пробой диода на инвертор?

一, Виды и физические механизмы пробоя диодов
Пробой диодов можно разделить на два типа: электрический пробой и термический пробой, а их физические механизмы тесно связаны со свойствами материала, концентрацией легирования, температурой и другими факторами.

1. Электрический пробой: обратимый физический процесс
Электрический пробой включает в себя два механизма: стабилитронный пробой и лавинный пробой.

Пробой Зенера: происходит в сильнолегированных PN-переходах (таких как стабилизаторы напряжения), где ширина обедненного слоя чрезвычайно узкая (<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 мкм). Обратное напряжение ускоряет неосновные носители, заставляя их сталкиваться с решеткой и генерировать новые носители, образуя цепную лавинную реакцию. Напряжение лавинного пробоя обычно превышает 6 В и имеет положительный температурный коэффициент (напряжение пробоя увеличивается с температурой).
Электрический пробой по сути является обратимым физическим процессом.

2. Термический пробой: необратимый катастрофический отказ.
При дальнейшем увеличении обратного тока после электрического пробоя или при принятии мер по ограничению тока в цепи потребляемая мощность PN-перехода превышает предельное значение, что приводит к резкому повышению температуры перехода. В этот момент валентные электроны в ковалентной связи получают достаточную энергию, чтобы вырваться из атомных ограничений, образуя большое количество пар свободных электронов и дырок, что еще больше усугубляет рост тока и образует петлю положительной обратной связи. В конце концов, PN-переход плавится из-за перегрева, образуя постоянное короткое замыкание, известное как тепловой пробой. Термический пробой необратим, и диод полностью потеряет свою функцию.

2. Прямой вред пробоя диода инверторам.
Диоды в инверторах в основном используются для выпрямления, обгонки и ограничения, и их пробой может вызвать распространение неисправности по разным путям.

1. Устранение поломки диода: короткое замыкание по питанию и взрыв конденсатора
В фотоэлектрических инверторах или промышленных источниках питания выпрямительный мост состоит из 6 диодов (3 общих катода и 3 общих анода). Если один диод термически разрушается и образуется короткое замыкание, это приведет к тому, что положительный и отрицательный полюсы шины постоянного тока станут проводить напрямую, что приведет к короткому замыканию питания. В этот момент фильтрующий конденсатор быстро нагревается из-за перегрузки по току, вызывая испарение и расширение электролита, что может привести к взрыву. Например, на одной фотоэлектрической электростанции поломка выпрямительного диода привела к взрыву конденсатора на стороне постоянного тока, что привело к поломке всего инверторного модуля и прямым экономическим потерям в размере более 100 000 юаней.
2. Поломка диода фиксации: напряжение на шине вышло из-под контроля.
В многоуровневых инверторах фиксирующие диоды используются для ограничения колебаний напряжения на шине постоянного тока. Если фиксирующий диод выйдет из строя, напряжение на шине может превысить диапазон выдерживаемых напряжений IGBT, что приведет к разрыву цепи. Например, в преобразователе частоты среднего напряжения произошел пробой фиксирующего диода, что привело к скачку напряжения на шине постоянного тока с 600 В до 900 В, что привело к повреждению всех 12 модулей IGBT и времени отключения системы до 72 часов.

3. Эффекты пробоя диода на уровне системы.
1. Электромагнитные помехи (EMI) и искажение сигнала.
При выходе диода из строя быстрое изменение тока короткого-замыкания приводит к возникновению высокочастотных-электромагнитных помех, которые передаются в цепь управления через паразитную емкость и вызывают искажение управляющего сигнала IGBT. В случае ветряного преобразователя электромагнитные помехи, вызванные пробой обратного диода, привели к потере импульса сигнала управления IGBT длительностью 10 мкс, что привело к колебанию крутящего момента двигателя выше 20 % и срабатыванию сигнализации механической вибрации.
2. Неправильная работа схемы защиты и паралич системы.
Современные инверторы обычно оснащены функциями защиты от перегрузки по току, перенапряжения и перегрева. Однако пробой диода может привести к неправильной работе схемы защиты:
Неправильная работа защиты от перегрузки по току: ток короткого замыкания может быть ошибочно принят за внезапное изменение нагрузки, вызывая срабатывание защиты по ограничению тока и вызывающее снижение номинальных характеристик системы;
Сбой защиты от перенапряжения: если фиксирующий диод выходит из строя, точка контроля напряжения шины выходит из строя, и защита от перенапряжения не может быть активирована;
Задержка защиты от перегрева: температура в точке пробоя диода может быть выше, чем температура в точке контроля датчика, что приводит к задержке срабатывания защиты от перегрева.
В случае тягового инвертора на определенном железнодорожном транспорте поломка выпрямительного диода привела к неправильной работе защиты от перегрузки по току, что привело к частому снижению номинальных характеристик системы. В конце концов из-за накопления тепла модуль IGBT взорвался, и поезд был остановлен на 12 часов.
4. Стратегия защиты и надежность.
1. Проектирование схемы: резервирование и ограничение тока
Резервированная конструкция: в выпрямительном мосту используется резервная конфигурация «N+1», что означает, что дополнительные диоды подключаются параллельно. Когда один диод выходит из строя, система все равно может работать с пониженной мощностью;
Резистор, ограничивающий ток. Подключите резисторы небольшого сопротивления (например, 0,1 Ом/5 Вт) последовательно к диоду, чтобы ограничить пиковый ток короткого-замыкания;
RC-буферная схема: добавьте RC-буферную схему (например, C=0.1 µ F, R=10 Ω) к параллельной цепи диода IGBT, чтобы поглотить перенапряжение выключения и уменьшить обратное напряжение диода.
2. Мониторинг системы: диагностика-в режиме реального времени и профилактическое обслуживание.
Инфракрасное тепловизионное обнаружение: мониторинг температуры корпуса диода в режиме реального времени с помощью инфракрасного тепловизора, срабатывание сигнализации, когда температура превышает номинальное значение в 15 градусов;
Мониторинг электрических параметров: мониторинг тока диода в реальном времени с помощью датчиков тока (например, датчиков Холла), защита активируется, когда ток превышает номинальное значение в 1,2 раза;
Прогнозирование неисправностей с помощью искусственного интеллекта: обучайте модели машинного обучения на основе исторических данных, чтобы прогнозировать оставшийся срок службы (RUL) диодов и заблаговременно заменять компоненты с высоким-риском.