Apa dampak rusaknya dioda pada inverter?

一, Jenis dan mekanisme fisik kerusakan dioda
Kerusakan dioda dapat dibagi menjadi dua jenis: kerusakan listrik dan kerusakan termal, dan mekanisme fisiknya berkaitan erat dengan sifat material, konsentrasi doping, suhu, dan faktor lainnya.

1. Kerusakan listrik: proses fisik yang dapat dibalik
Kerusakan listrik mencakup dua mekanisme: kerusakan Zener dan kerusakan longsoran salju

Kerusakan zener: terjadi pada sambungan PN dengan doping tinggi (seperti pengatur tegangan), dimana lebar lapisan penipisan sangat sempit (<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 mikron). Tegangan balik mempercepat pembawa minoritas, menyebabkan mereka bertabrakan dengan kisi dan menghasilkan pembawa baru, membentuk reaksi berantai longsoran salju. Tegangan tembus longsoran umumnya lebih tinggi dari 6V dan memiliki koefisien suhu positif (tegangan tembus meningkat seiring suhu).
Kerusakan listrik pada dasarnya adalah proses fisik yang dapat dibalik.

2. Kerusakan termal: kegagalan besar yang tidak dapat diubah
Ketika arus balik terus meningkat setelah gangguan listrik, atau ketika pengukuran arus tak terbatas dilakukan di sirkuit, konsumsi daya sambungan PN melebihi nilai batas, yang mengakibatkan peningkatan tajam pada suhu sambungan. Pada titik ini, elektron valensi dalam ikatan kovalen memperoleh energi yang cukup untuk melepaskan diri dari batasan atom, membentuk sejumlah besar pasangan lubang elektron bebas, yang semakin memperburuk pertumbuhan arus dan membentuk putaran umpan balik positif. Akhirnya, sambungan PN meleleh karena panas berlebih, membentuk korsleting permanen, yang disebut kerusakan termal. Kerusakan termal tidak dapat diubah, dan dioda akan kehilangan fungsinya sepenuhnya.

2, Kerusakan langsung dari kerusakan dioda ke inverter
Dioda dalam inverter terutama digunakan untuk penyearah, freewheeling, dan penjepitan, dan kerusakannya dapat menyebabkan perambatan gangguan di jalur yang berbeda.

1. Memperbaiki kerusakan dioda: korsleting daya dan ledakan kapasitor
Pada inverter fotovoltaik atau sumber tenaga industri, jembatan penyearah terdiri dari 6 dioda (3 katoda umum dan 3 anoda umum). Jika satu dioda dipecah secara termal untuk membentuk korsleting, hal ini akan menyebabkan kutub positif dan negatif bus DC berkonduksi secara langsung, sehingga menyebabkan korsleting daya. Pada titik ini, kapasitor penyaringan dengan cepat memanas karena arus berlebih, menyebabkan elektrolit menguap dan mengembang, yang dapat menyebabkan ledakan. Misalnya, di pembangkit listrik fotovoltaik tertentu, kerusakan dioda penyearah menyebabkan kapasitor sisi DC meledak, mengakibatkan seluruh modul inverter hancur dan kerugian ekonomi langsung lebih dari 100.000 yuan.
2. Kerusakan dioda penjepit: Tegangan bus tidak terkendali
Pada inverter multi-level, dioda penjepit digunakan untuk membatasi fluktuasi tegangan bus DC. Jika dioda penjepit rusak, tegangan bus mungkin melebihi rentang tegangan ketahanan IGBT, menyebabkan kerusakan rantai. Misalnya, konverter frekuensi tegangan menengah mengalami kerusakan dioda penjepit, menyebabkan tegangan bus DC melonjak dari 600V ke 900V, mengakibatkan kerusakan pada seluruh 12 modul IGBT dan waktu mati sistem hingga 72 jam.

3, Efek tingkat sistem dari kerusakan dioda
1. Interferensi elektromagnetik (EMI) dan distorsi sinyal
Saat dioda rusak, perubahan arus-hubung singkat yang cepat akan menghasilkan interferensi elektromagnetik-frekuensi tinggi, yang digabungkan ke sirkuit kontrol melalui kapasitansi parasit dan menyebabkan distorsi pada sinyal penggerak IGBT. Dalam kasus konverter tenaga angin, interferensi EMI yang disebabkan oleh kerusakan dioda freewheeling mengakibatkan hilangnya pulsa sinyal penggerak IGBT sebesar 10 μs, menyebabkan torsi motor berfluktuasi melebihi 20% dan memicu alarm getaran mekanis.
2. Kesalahan pengoperasian sirkuit proteksi dan kelumpuhan sistem
Inverter modern biasanya dilengkapi dengan fungsi proteksi arus lebih, tegangan lebih, dan suhu berlebih. Namun, kerusakan dioda dapat menyebabkan kesalahan penilaian pada rangkaian proteksi:
Kesalahan pengoperasian proteksi arus lebih: Arus hubung singkat dapat disalahartikan sebagai perubahan beban secara tiba-tiba, memicu proteksi pembatas arus dan menyebabkan operasi penurunan daya sistem;
Kegagalan proteksi tegangan lebih: Jika dioda penjepit rusak, titik pemantauan tegangan bus gagal, dan proteksi tegangan lebih tidak dapat diaktifkan;
Penundaan perlindungan suhu berlebih: Suhu pada titik kerusakan dioda mungkin lebih tinggi daripada suhu pada titik pemantauan sensor, menyebabkan penundaan dalam memicu perlindungan suhu berlebih.
Dalam kasus inverter traksi di angkutan kereta api tertentu, kerusakan dioda penyearah menyebabkan kesalahan pengoperasian proteksi arus lebih, yang mengakibatkan seringnya penurunan pengoperasian sistem. Akhirnya karena penumpukan panas, modul IGBT meledak dan kereta dihentikan selama 12 jam.
4, Strategi Perlindungan dan Desain Keandalan
1. Desain sirkuit: redundansi dan pembatasan arus
Desain redundan: Pada jembatan penyearah, konfigurasi redundan "N+1" diadopsi, yang berarti dioda tambahan dihubungkan secara paralel. Ketika satu dioda rusak, sistem masih dapat beroperasi pada kapasitas yang dikurangi;
Resistor pembatas arus: Hubungkan resistor resistansi kecil (seperti 0,1 Ω/5W) secara seri melintasi dioda untuk membatasi arus hubung singkat puncak;
Rangkaian penyangga RC: Tambahkan rangkaian penyangga RC (seperti C=0.1 μ F, R=10 Ω) ke rangkaian paralel dioda IGBT untuk menyerap tegangan lebih mati dan mengurangi tegangan balik dioda.
2. Pemantauan sistem: diagnosis-waktu nyata dan pemeliharaan prediktif
Deteksi pencitraan termal inframerah: Pemantauan suhu cangkang dioda secara real-time melalui pencitraan termal inframerah, memicu alarm ketika suhu melebihi nilai pengenal 15 derajat;
Pemantauan parameter listrik: Pemantauan arus dioda secara real-time melalui sensor arus (seperti sensor Hall), dan perlindungan diaktifkan ketika arus melebihi 1,2 kali nilai pengenal;
Prediksi kesalahan AI: Melatih model pembelajaran mesin berdasarkan data historis untuk memprediksi sisa masa pakai (RUL) dioda dan mengganti-komponen berisiko tinggi terlebih dahulu.