Hoe kan ik stroomisolatie van diodes in meer-traps invertersystemen bereiken?

一, De fysieke basis van diodestroomisolatie
Het kernisolatievermogen van diodes komt voort uit de unidirectionele geleidbaarheid van PN-overgangen. Wanneer ze voorwaarts zijn voorgespannen, diffunderen gaten in het P-gebied en elektronen in het N-gebied om een ​​pad met lage weerstand te vormen, en de aan-weerstand kan zo laag zijn als 0,1 Ω; Bij omgekeerde voorspanning wordt de breedte van de uitputtingslaag groter met toenemende spanning, waardoor een isolatie met een hoge impedantie op megaohm-niveau wordt gevormd en de mogelijkheid tot tegenstroom wordt geblokkeerd tot op het niveau van microampère. Deze asymmetrische geleidende eigenschap maakt het tot een natuurlijk stroomisolatieapparaat.

In een meertraps invertersysteem bereiken diodes intertrapsisolatie door een unidirectioneel stroompad te construeren. In een twee-traps fotovoltaïsche omvormer kan de isolatiediode die parallel is aangesloten op de uitgang van de DC/DC-omzetter aan de voorkant- bijvoorbeeld voorkomen dat er stroom terugstroomt die wordt veroorzaakt door fouten in de- omvormer aan de achterkant, en kan de stroomapparatuur aan de voorkant- worden beschermd. Experimentele gegevens tonen aan dat bij gebruik van de 1N4148-signaaldiode de omgekeerde lekstroom slechts 0,1 μA bedraagt ​​bij een sperspanning van 50 V, en dat de effectieve isolatie groter is dan 99,999%.

2, Typische isolatietoepassingen in meer-traps invertersystemen
1. Selectie van het vermogenspad voor gecascadeerde H-brugomvormers
In een gecascadeerde H--brug STATCOM (Static Synchronous Compensator) is elke H--brugeenheid parallel verbonden via een DC-zijdecondensator. Wanneer er in een bepaalde eenheid een kortsluitingsfout in de DC-zijde van de condensator optreedt, kunnen Schottky-diodes (zoals SB560, met een voorwaartse spanningsval van 0,5 V) die parallel zijn aangesloten op beide uiteinden van de condensator, automatisch de voortplanting van foutstroom naar andere gezonde eenheden blokkeren. Simulatie laat zien dat dit schema het systeem in staat stelt om de foutisolatie binnen 0,1 ms te voltooien, wat drie ordes van grootte sneller is dan traditionele relaisschema's wat betreft reactiesnelheid.

2. Submodule-isolatie van modulaire meerniveauconverter (MMC)
De MMC-submodule heeft een halve brugstructuur. Wanneer de condensatorspanning van de submodule uit balans is, kan de in serie geschakelde snelle hersteldiode (zoals RF306, omgekeerde hersteltijd van 35ns) voorkomen dat de condensator overladen wordt. Volgens de gegevens van Tennet's ± 500 kV DC-transmissieproject in Duitsland daalde het fluctuatiebereik van de condensatorspanning van de submodule na de goedkeuring van dit schema van ± 15% naar ± 3% en verbeterde de systeemefficiëntie met 1,2 procentpunten.

3. Redundant voedingsontwerp voor fotovoltaïsche netgekoppelde omvormers
In fotovoltaïsche stringomvormers worden meerdere MPPT-kanalen (Maximum Power Point Tracking) gebruikt om vermogensredundantie te bereiken via diodes of poortcircuits. Wanneer het uitgangsvermogen van een bepaald kanaal afneemt als gevolg van schaduwobstructie, schakelt de Schottky-diode (zoals de MBR2045CT, met een voorwaartse spanningsval van 0,32 V) automatisch over naar het gezonde kanaal om een ​​stabiel uitgangsvermogen te garanderen. Tests hebben aangetoond dat dit plan de energieopwekking van fotovoltaïsche arrays met 8% -12% kan verhogen, vooral in gedeeltelijk belemmerde scenario's waar de voordelen aanzienlijk zijn.

3, Strategieën voor technische optimalisatie en prestatieverbetering
1. Selectie van diodes met laag verlies
De voorwaartse spanningsval (0,6-0,7 V) van traditionele siliciumdiodes kan aanzienlijke verliezen veroorzaken bij toepassingen met hoge stroomsterkte. Met behulp van siliciumcarbide (SiC) Schottky-diodes (zoals C3D06060A, voorwaartse spanningsval) 1,3V bij 10A) kan het geleidingsverlies met 60% worden verminderd. In een fotovoltaïsche omvormer van 100 kW vermindert dit schema de diodeverliezen van 120 W naar 48 W en verbetert het de systeemefficiëntie met 0,05 procentpunt.

2. Optimalisatie van de omgekeerde herstelfunctie
Bij hoogfrequente schakeltoepassingen heeft de omgekeerde hersteltijd (trr) van diodes rechtstreeks invloed op schakelverliezen. Het gebruik van snelhersteldiodes (zoals FR307, trr=100ns) kan IGBT-schakelverliezen met 35% verminderen in vergelijking met gewone gelijkrichters (trr=500ns). Na de toepassing van dit schema is de efficiëntie bij volledige belasting van de omvormers uit de SIRIUS-serie van Siemens gestegen van 98,2% naar 98,7%.

3. Geïntegreerde isolatieoplossing
De ideale diodecontroller op basis van MOSFET (zoals LM5050) bereikt door actieve regeling een nul-reverse-hersteltijd. In Tesla's Megapack-energieopslagsysteem vermindert deze oplossing het isolatieverlies tussen clusters van 2,5 W naar 0,3 W, en verbetert de efficiëntie van de systeemcyclus met 0,2 procentpunt. Tegelijkertijd wordt de geleidingsspanningsval van 0,05 V met 90% verminderd in vergelijking met traditionele diodes, waardoor de energieomzettingsefficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd.

4, Grensverleggende technologietrends
1. Toepassing van halfgeleiderapparaten met grote bandafstand
Gallium nitride (GaN) diodes are gradually replacing silicon devices in high-end fields such as 5G base station power supplies and aerospace power supplies due to their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz). De door het bedrijf EPC gelanceerde EPC2054 GaN-diode heeft een voorwaartse spanningsval van slechts 0,2 V bij een stroomsterkte van 10 A, wat 85% lager is dan die van SiC-apparaten.

2. Integratie van intelligente isolatietechnologie
De intelligente diodemodule, gecombineerd met digitale besturingstechnologie, kan dynamische spanningsvalcompensatie en foutvoorspelling bereiken. De Power Grid-serie intelligente isolatiediodes, gelanceerd door het bedrijf ABB, bewaakt parameters zoals junctietemperatuur en -stroom in realtime via ingebouwde-sensoren, en waarschuwt potentiële fouten 0,5 ms van tevoren, waardoor de gemiddelde tijd tussen storingen (MTBF) van het systeem wordt verhoogd tot 200.000 uur.

5, Belangrijke overwegingen in de technische praktijk
1. Ontwerp voor afstemming van parameters
De selectie van diodes vereist een uitgebreide overweging van de voorwaartse spanningsval (Vf), de omgekeerde hersteltijd (trr), de maximale sperspanning (VRRM) en de nominale stroom (IF). In een fotovoltaïsch systeem van 1500 V moeten bijvoorbeeld diodes met VRRM groter dan of gelijk aan 1800 V worden geselecteerd en moet een stroommarge van 30% worden gereserveerd.

2. Optimalisatie van het thermisch beheer
Bij toepassingen met hoog-vermogen is regeling van de diodeverbindingstemperatuur van cruciaal belang. Het samengestelde warmteafvoerschema met behulp van thermisch geleidend siliconenvet (thermische weerstand 0,5 graden /W) en aluminiumsubstraat (thermische weerstand 1 graden /W) kan de junctietemperatuur verlagen van 125 graden naar 85 graden onder een stroom van 100A, waardoor de levensduur van het apparaat met meer dan drie keer wordt verlengd.

3. Elektromagnetisch compatibiliteitsontwerp
De door diodeschakelaars gegenereerde di/dt-ruis moet worden onderdrukt door een RC-buffercircuit. In een 10 kW-omvormer kan een buffercircuit met filmcondensatoren van 0,1 μF en weerstanden van 10 Ω de spanningsoverschrijding verminderen van 50 V naar 5 V, waarmee wordt voldaan aan de elektromagnetische compatibiliteitsnorm IEC 61000-4-5.

6, Toepassingsgevallen in de industrie
1. Huawei SUN2000-125KTL fotovoltaïsche omvormer
Dit product maakt gebruik van een gecascadeerde H--brugtopologie, waarbij elke H--bruguitgang parallel is aangesloten op een snelle hersteldiode (BYV29-1000, trr=50ns) om stroomisolatie tussen de fasen te bereiken. Uit feitelijke testgegevens blijkt dat in gedeeltelijk geblokkeerde scenario's de stroomopwekking van het systeem met 9,3% wordt verhoogd in vergelijking met traditionele oplossingen, en dat de efficiëntie in Europa 98,8% bereikt.

2. Siemens SICAM AIS-netstabilisator
In STATCOM-toepassingen maakt het apparaat gebruik van siliciumcarbidediodemodules (C4D20120D) om schakelverliezen van submodules met 40% te verminderen. Uit de daadwerkelijke meting van het Duitse elektriciteitsnet blijkt dat de systeemresponstijd is verkort van 10 ms naar 3 ms, en dat de ondersteuningscapaciteit voor dynamisch reactief vermogen drie keer is vergroot.