Apa akibat dari hubung singkat atau hubung terbuka dioda pada sistem energi?

一, Reaksi berantai gangguan hubung singkat dioda
1. Mekanisme hubung singkat dan kondisi pemicunya
Korsleting dioda biasanya disebabkan oleh kerusakan chip, retaknya kemasan, atau penyolderan yang buruk. Di lingkungan bersuhu tinggi dan lembab, penyerapan air dan perluasan bahan kemasan dapat menyebabkan pecahnya lapisan metalisasi internal; Dalam skenario tegangan lebih, sambungan PN dapat berjalan secara permanen karena kerusakan longsoran salju. Misalnya, proyek inverter fotovoltaik mengalami korsleting dalam waktu 10 ms akibat tegangan lebih balik pada dioda yang disebabkan oleh sambaran petir.

2. Dampak tingkat sistem
(1) Perubahan jalur transmisi energi
Kegagalan rangkaian penyearah: Pada rangkaian penyearah jembatan, jika dioda dihubung pendek akan menyebabkan konduksi langsung antara sisi AC dan DC, yang menyebabkan saturasi transformator atau induktor. Karena korsleting pada dioda penyearah pada proyek sistem penyimpanan energi tertentu, arus masukan melonjak hingga tiga kali lipat nilai pengenalnya, dan trafo terbakar dalam waktu 5 detik.
Hubungan pendek pada sirkuit freewheeling: Pada sirkuit penggerak motor atau penyimpanan energi induktif, hubungan pendek-dalam dioda freewheeling dapat merusak jalur umpan balik energi. Misalnya, dalam proyek inverter kendaraan listrik tertentu, karena korsleting pada dioda freewheeling, gaya gerak listrik balik motor langsung diterapkan ke perangkat listrik, menyebabkan modul IGBT meledak dalam waktu 100 μs.
(2) Kegagalan mekanisme proteksi
Kegagalan proteksi anti mundur: Dalam sistem DC, korsleting pada dioda anti mundur dapat menyebabkan kerusakan langsung pada peralatan ketika polaritas daya dibalik. Proyek UPS di pusat data tertentu mengalami kerugian lebih dari 500.000 yuan karena korsleting-dioda anti terbalik, yang menyebabkan modul penyearah terbakar selama kesalahan pengoperasian pemeliharaan.
Bypass proteksi tegangan lebih: Hubungan pendek dioda TVS akan menyebabkan kehilangan fungsi penjepitannya, dan tegangan lebih akan langsung disalurkan ke rangkaian berikutnya. Karena korsleting dioda TVS dalam proyek susunan fotovoltaik tertentu, tegangan keluaran komponen melonjak hingga 1000V (nilai 600V), menyebabkan-kegagalan inverter skala besar.
(3) Risiko pelepasan panas
Hubungan pendek menyebabkan perubahan jalur arus, yang mengakibatkan peningkatan kepadatan arus lokal secara signifikan. Pengujian proyek konverter tenaga angin menunjukkan bahwa setelah korsleting dioda, suhu sambungan perangkat daya yang berdekatan meningkat dari 85 derajat menjadi 200 derajat dalam waktu 2 detik, menyebabkan pelepasan termal rantai.

2, Bahaya sistemik dari kesalahan rangkaian terbuka dioda
1. Mekanisme sirkuit terbuka dan skenario tipikal
Sirkuit terbuka biasanya disebabkan oleh keruntuhan pengelasan, kerusakan chip, atau kerusakan kabel. Dalam lingkungan yang bergetar (seperti kendaraan listrik), patah akibat kelelahan timbal merupakan penyebab umum; Dalam skenario suhu tinggi, ketidaksesuaian antara koefisien muai panas kemasan dan chip dapat menyebabkan keretakan.

2. Dampak tingkat sistem
(1) Gangguan transmisi energi
Kerugian keluaran rektifikasi: Dalam rangkaian rektifikasi tiga fasa, jika dioda dirangkai terbuka, hal ini akan menyebabkan peningkatan riak tegangan keluaran. Proyek catu daya industri tertentu menyebabkan riak tegangan keluaran meningkat dari 5% menjadi 30% karena rangkaian terbuka dioda, yang mengakibatkan kesalahan pengoperasian peralatan beban.
Rangkaian freewheeling terputus: Dalam rangkaian penyimpan energi induktif, dioda freewheeling terbuka dapat menyebabkan energi induktor tidak terlepas ke mana pun, sehingga mengakibatkan lonjakan tegangan tinggi. Proyek driver LED tertentu mengalami lonjakan tegangan induktor hingga 800V (bernilai 400V) karena sirkuit terbuka pada dioda freewheeling, yang mengakibatkan kerusakan MOSFET.
(2) Hilangnya fungsi proteksi
Kegagalan proteksi arus lebih: Dalam grup dioda paralel, jika salah satu dioda terbuka, dioda yang tersisa harus menanggung arus yang lebih besar. Proyek sirkuit penyeimbang baterai penyimpan energi tertentu menyebabkan kelebihan beban dan kelelahan pada dioda lain karena sirkuit terbuka pada salah satu dioda, yang mengakibatkan pengisian daya berlebih pada baterai.
Kegagalan fungsi isolasi: Dalam perlindungan tingkat modul fotovoltaik, sirkuit terbuka di dioda bypass dapat memperburuk efek hot spot. Karena sirkuit terbuka dioda bypass dalam proyek pembangkit listrik fotovoltaik tertentu, suhu komponen tertentu naik hingga 150 derajat di bawah penghalang bayangan, menyebabkan kaca pecah.
(3) Stabilitas sistem menurun
Sirkuit terbuka dapat menyebabkan perubahan topologi sirkuit, yang dapat menyebabkan resonansi atau osilasi. Proyek modul pengisian kendaraan listrik tertentu mengalami rangkaian terbuka dioda, menyebabkan rangkaian resonansi LLC menjadi tidak disetel dan tegangan keluaran berfluktuasi lebih dari ± 15%, memicu pemadaman pelindung.

3, Konsekuensi kesalahan pada sistem energi pada umumnya
1. Sistem pembangkit listrik fotovoltaik
Dampak tingkat komponen: Sirkuit terbuka pada dioda bypass dapat menyebabkan suhu titik termal komponen melebihi batas ketika terhalang sebagian, sehingga mempercepat penuaan bahan kemasan; Hubungan pendek dapat menyebabkan gangguan busur samping DC. Menurut statistik dari pembangkit listrik fotovoltaik 5MW, kegagalan dioda menyebabkan 18% kegagalan komponen, yang mengakibatkan hilangnya pembangkit listrik sebesar lebih dari 500.000 kWh setiap tahunnya.
Dampak tingkat inverter: Hubungan pendek dioda penyearah dapat menyebabkan tegangan bus DC tidak terkendali, menyebabkan ledakan modul IGBT; Sirkuit terbuka menyebabkan arus masukan terputus-putus, menyebabkan kebisingan dan getaran transformator.
2. Sistem penyimpanan energi
Dampak penyeimbangan baterai: Sirkuit terbuka pada dioda sirkuit penyeimbang dapat menyebabkan peningkatan ketidakkonsistenan pada paket baterai dan memperpendek masa pakai baterai; Hubungan pendek dapat menyebabkan pengisian daya berlebih/pengosongan berlebih. Karena kesalahan pada dioda penyeimbang pada proyek pembangkit listrik penyimpanan energi tertentu, tingkat penurunan kapasitas paket baterai meningkat dari 3%/tahun menjadi 8%/tahun.
Dampak konversi DC/DC: Rangkaian terbuka dioda penyearah sinkron dapat menyebabkan penurunan efisiensi lebih dari 10%; Hubungan pendek dapat menyebabkan tegangan keluaran melampaui batas.
3. Sistem pengisian kendaraan listrik
Dampak modul pengisian daya: Hubungan pendek dioda sirkuit PFC dapat menyebabkan tingkat distorsi arus masukan melebihi standar, memicu perlindungan jaringan; Sirkuit terbuka akan menyebabkan faktor daya turun di bawah 0,7 dan mengakibatkan denda dari jaringan listrik.
Dampak pengisi daya mobil: Rangkaian terbuka dioda penyearah keluaran akan menyebabkan gangguan pengisian daya; Hubungan pendek dapat menyebabkan tegangan berlebih pada baterai. Dalam insiden penarikan kendaraan tertentu, lebih dari 20.000 kendaraan ditarik kembali karena risiko korsleting dioda keluaran.
4, Diagnosis kesalahan dan strategi perlindungan
1. Teknologi pemantauan online
Pemantauan tegangan/arus: Pemantauan tegangan dan arus melintasi dioda secara real-time melalui sensor Hall, memicu alarm jika ada fluktuasi abnormal melebihi 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 derajat), maka secara otomatis akan mati.
Analisis spektrum impedansi: Dengan memasukkan sinyal berfrekuensi tinggi untuk mendeteksi resistansi seri ekivalen dioda, impedansinya mendekati tak terhingga pada rangkaian terbuka dan nol pada rangkaian pendek.
2. Desain yang berlebihan
Redundansi paralel: Beberapa dioda dihubungkan secara paralel dalam rangkaian kritis, dan sistem masih dapat beroperasi jika terjadi kesalahan tunggal. Misalnya, inverter tenaga angin tertentu menggunakan 4 dioda SiC paralel, dan efisiensi sistem hanya berkurang 2% setelah satu rangkaian terbuka.
Jalur cadangan: Pasang sakelar mekanis secara paralel dengan dioda di sirkuit anti mundur, dan secara otomatis beralih ke jalur sakelar ketika dioda gagal.
3. Peningkatan material dan proses
Kemasan tahan lembab: kemasan keramik atau kedap udara digunakan untuk memverifikasi keandalan melalui pengujian ganda 85 (85 derajat /85% RH/1000 jam).
Penyolderan bertegangan rendah: Gunakan solder-bebas timah dan kabel elastis untuk memverifikasi ketahanan lelah melalui pengujian getaran (misalnya 5-2000Hz/10g).
5, Studi Kasus: Kesalahan Dioda pada Konverter Tenaga Angin Lepas Pantai
Sebuah proyek pembangkit listrik tenaga angin lepas pantai berlokasi di daerah rawan angin topan, dan desain aslinya menggunakan dioda berbasis silikon-biasa. Setelah 2 tahun beroperasi, beberapa kabel dioda putus (rangkaian terbuka) karena getaran, dan 3 dioda mengalami korsleting karena korosi semprotan garam. Penyebab kerusakan:

Gangguan transmisi energi: 12 inverter dimatikan, mengakibatkan hilangnya pembangkit listrik lebih dari 50MWh setiap hari per inverter;
Kerusakan rantai peralatan: Ledakan modul IGBT disebabkan oleh korsleting, biaya perbaikan melebihi 2 juta yuan;
Penurunan stabilitas sistem: Sirkuit terbuka menyebabkan arus input terputus-putus, dan kebisingan transformator mencapai 85dB (desain<65dB).
Rencana perbaikan tersebut meliputi:

Peningkatan perangkat: Ganti dengan dioda SiC dan kemasan keramik;
Penguatan struktural: menggunakan braket pengurang getaran dan tiga lapisan tahan;
Peningkatan pemantauan: Menyebarkan sensor suhu dan getaran inframerah.
Setelah perbaikan, sistem telah berjalan terus menerus selama 3 tahun tanpa kegagalan dioda, dengan peningkatan pembangkitan listrik tahunan sebesar 12% dan pengurangan biaya pemeliharaan sebesar 70%.