Wat zijn de gevolgen van diodekortsluiting of open circuit op het energiesysteem?

一, Kettingreactie van diodekortsluitingsfout
1. Kortsluitmechanisme en activeringsomstandigheden
Een diodekortsluiting wordt meestal veroorzaakt door een defecte chip, barsten in de verpakking of slecht solderen. In omgevingen met hoge temperaturen en hoge luchtvochtigheid kan de vochtopname en uitzetting van verpakkingsmaterialen ervoor zorgen dat de interne metallisatielaag breekt; In overspanningsscenario's kunnen PN-overgangen permanent geleiden als gevolg van lawine-uitval. Bij een fotovoltaïsch omvormerproject ontstond er bijvoorbeeld binnen 10 ms een kortsluiting als gevolg van omgekeerde overspanning van de diode, veroorzaakt door blikseminslag.

2. Impact op systeemniveau
(1) Verandering in het energietransmissiepad
Falen van gelijkrichtcircuit: Als een diode in een bruggelijkrichtcircuit wordt kortgesloten, zal dit directe geleiding veroorzaken tussen de AC- en DC-zijde, wat leidt tot verzadiging van de transformator of inductor. Als gevolg van een kortsluiting in de gelijkrichtdiode van een bepaald energieopslagsysteemproject steeg de ingangsstroom tot drie keer de nominale waarde en brandde de transformator binnen 5 seconden door.
Kortsluiting in het vrijloopcircuit: In motoraangedreven circuits of inductieve energieopslagcircuits kan een kortsluiting- in de vrijloopdiode het energiefeedbackpad beschadigen. In een bepaald omvormerproject voor elektrische voertuigen werd bijvoorbeeld, als gevolg van een kortsluiting in de vrijloopdiode, de achterste elektromotorische kracht van de motor rechtstreeks op het voedingsapparaat uitgeoefend, waardoor de IGBT-module binnen 100 μs explodeerde.
(2) Storing in het beveiligingsmechanisme
Anti-omkeerbeveiligingsfout: In DC-systemen kan een kortsluiting in de anti-omkeerdiode directe schade aan de apparatuur veroorzaken als de polariteit van de voeding wordt omgekeerd. Het UPS-project in een bepaald datacenter leed verliezen van meer dan 500.000 yuan als gevolg van een kortsluiting-van de anti-reverse-diode, waardoor de gelijkrichtermodule doorbrandde tijdens verkeerd onderhoud.
Overspanningsbeveiligingsbypass: kortsluiting van de TVS-diode zorgt ervoor dat deze zijn klemfunctie verliest en dat de overspanning direct wordt doorgegeven aan het volgende circuit. Als gevolg van een kortsluiting van de TVS-diode in een bepaald fotovoltaïsch array-project steeg de uitgangsspanning van de componenten tot 1000 V (nominaal 600 V), wat grootschalige- omvormerstoringen veroorzaakte.
(3) Risico op thermische runaway
Een kortsluiting veroorzaakt een verandering in het stroompad, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de lokale stroomdichtheid. Een test van een project voor een windenergieconverter toonde aan dat na een diodekortsluiting de junctietemperatuur van aangrenzende stroomapparaten binnen 2 seconden steeg van 85 graden naar 200 graden, waardoor de ketting oververhit raakte.

2, Systemische gevaren van diode-open circuitfouten
1. Open circuitmechanisme en typische scenario's
Open circuit wordt meestal veroorzaakt door het inzakken van het laswerk, spaanbreuk of draadbreuk. In trillingsomgevingen (zoals elektrische voertuigen) is draadvermoeidheidsbreuk een veelvoorkomende oorzaak; In scenario's met hoge temperaturen kan de discrepantie tussen de thermische uitzettingscoëfficiënt van de verpakking en de chip leiden tot scheuren.

2. Impact op systeemniveau
(1) Onderbreking van de energietransmissie
Uitgangsverlies bij gelijkrichting: in een drie-fasig gelijkrichtcircuit zal een diode met een open circuit een toename van de uitgangsspanningsrimpel veroorzaken. Een bepaald industrieel stroomvoorzieningsproject zorgde ervoor dat de uitgangsspanningsrimpel steeg van 5% naar 30% als gevolg van het open circuit van de diode, wat resulteerde in een verkeerde werking van de belastingsapparatuur.
Losgekoppeld vrijloopcircuit: In een inductief energieopslagcircuit kan een open vrijloopdiode ervoor zorgen dat de energie van de inductor nergens vrijkomt, wat resulteert in hoge spanningspieken. Bij een bepaald LED-driverproject werd een stijging van de inductorspanning naar 800 V (nominaal 400 V) ervaren als gevolg van een open circuit in de vrijloopdiode, wat resulteerde in een MOSFET-storing.
(2) Verlies van beveiligingsfunctie
Overstroombeveiligingsfout: Als in een parallelle diodegroep een van de diodes open is, moeten de resterende diodes een grotere stroom verdragen. Een bepaald project voor het balanceren van een energieopslagbatterij veroorzaakte overbelasting en doorbranden van andere diodes als gevolg van een open circuit van één diode, wat resulteerde in overladen van het batterijpakket.
Storing in isolatiefunctie: Bij niveaubeveiliging van fotovoltaïsche modules kan een open circuit in de bypass-diode het hotspot-effect verergeren. Als gevolg van het open circuit van de bypass-diode in een bepaald fotovoltaïsch energiecentraleproject steeg de temperatuur van een bepaald onderdeel onder schaduwobstructie tot 150 graden, waardoor glasbreuk ontstond.
(3) De systeemstabiliteit neemt af
Een open circuit kan veranderingen in de circuittopologie veroorzaken, wat kan leiden tot resonantie of oscillatie. Bij een bepaald project voor de oplaadmodule voor elektrische voertuigen was er sprake van een diode-open circuit, waardoor het LLC-resonantiecircuit ontstemd raakte en de uitgangsspanning met meer dan ± 15% schommelde, wat een beschermende uitschakeling veroorzaakte.

3, Gevolgen van storingen in typische energiesystemen
1. Fotovoltaïsch energieopwekkingssysteem
Impact op componentniveau: Een open circuit in de bypass-diode kan ervoor zorgen dat de thermische punttemperatuur van de component de limiet overschrijdt wanneer deze gedeeltelijk wordt geblokkeerd, waardoor de veroudering van het verpakkingsmateriaal wordt versneld; Kortsluiting kan een DC-zijboogfout veroorzaken. Volgens statistieken van een fotovoltaïsche elektriciteitscentrale van 5 MW zijn diodestoringen verantwoordelijk voor 18% van de componentstoringen, wat resulteert in een jaarlijks verlies van meer dan 500.000 kWh aan stroomopwekking.
Impact op inverterniveau: Kortsluiting van de gelijkrichterdiode kan een ongecontroleerde DC-busspanning veroorzaken, wat kan leiden tot explosie van de IGBT-module; Een open circuit leidt tot intermitterende ingangsstroom, waardoor transformatorgeluid en trillingen ontstaan.
2. Energieopslagsysteem
Impact op batterijbalancering: Een open circuit in de diode van het balanceringscircuit kan leiden tot verhoogde inconsistentie in het batterijpakket en de levensduur van de batterij verkorten; Een kortsluiting kan overladen/overontladen veroorzaken. Als gevolg van een fout in de balanceringsdiode van een bepaald energieopslagproject is de snelheid waarmee de capaciteit van het batterijpakket afneemt toegenomen van 3%/jaar naar 8%/jaar.
Impact DC/DC-conversie: Een open circuit van de synchrone gelijkrichterdiode kan leiden tot een efficiëntiedaling van meer dan 10%; Kortsluiting kan een overschrijding van de uitgangsspanning veroorzaken.
3. Oplaadsysteem voor elektrische voertuigen
Impact van de laadmodule: kortsluiting van de PFC-circuitdiode kan ertoe leiden dat de vervormingssnelheid van de ingangsstroom de norm overschrijdt, waardoor de netbescherming wordt geactiveerd; Een open circuit zorgt ervoor dat de arbeidsfactor onder de 0,7 daalt en resulteert in een boete van het elektriciteitsnet.
Impact van autolader: Een open circuit van de uitgangsgelijkrichterdiode zal een laadonderbreking veroorzaken; Een kortsluiting kan overspanning in de accu veroorzaken. Bij een bepaald terugroepincident werden meer dan 20.000 voertuigen teruggeroepen vanwege het risico op kortsluiting in de uitgangsdiode.
4, Foutdiagnose en beschermingsstrategie
1. Online monitoringtechnologie
Spannings-/stroombewaking: realtime monitoring van de spanning en stroom over de diode via Hall-sensoren, waardoor een alarm wordt geactiveerd als er een abnormale fluctuatie is van meer dan 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 graden), wordt deze automatisch uitgeschakeld.
Impedantiespectrumanalyse: door hoogfrequente signalen te injecteren- om de equivalente serieweerstand van diodes te detecteren, nadert de impedantie oneindig in open circuit en nul in kortsluiting.
2. Redundant ontwerp
Parallelle redundantie: Meerdere diodes zijn parallel geschakeld in kritische circuits, en het systeem kan nog steeds werken in het geval van een enkele fout. Een bepaalde windenergie-omvormer gebruikt bijvoorbeeld vier parallelle SiC-diodes en de systeemefficiëntie neemt slechts met 2% af na een enkele open circuit.
Back-uppad: installeer een mechanische schakelaar parallel aan een diode in het anti-omkeercircuit en schakel automatisch over naar het schakelpad wanneer de diode uitvalt.
3. Materiaal- en procesupgrades
Vochtbestendige verpakking: keramische of luchtdichte verpakkingen worden gebruikt om de betrouwbaarheid te verifiëren door middel van dubbele 85-testen (85 graden /85% RH/1000 uur).
Solderen met lage spanning: gebruik lood{0}}vrij soldeer en elastische draden om de weerstand tegen vermoeiing te verifiëren door middel van trillingstests (zoals 5-2000 Hz/10 g).
5, Casestudy: Diodefout in offshore windenergieconvertor
Een bepaald offshore windenergieproject bevindt zich in een gebied dat gevoelig is voor tyfoons, en het oorspronkelijke ontwerp maakte gebruik van gewone silicium-gebaseerde diodes. Na 2 jaar bedrijf waren meerdere diodedraden kapot (open circuit) als gevolg van trillingen, en waren 3 diodes kortgesloten vanwege zoutsproeicorrosie. Storing veroorzaakt:

Onderbreking van de energietransmissie: 12 omvormers zijn uitgeschakeld, wat resulteert in een dagelijks verlies van meer dan 50 MWh aan stroomopwekking per omvormer;
Schade aan de apparatuurketen: explosie van de IGBT-module veroorzaakt door kortsluiting, reparatiekosten bedragen meer dan 2 miljoen yuan;
Verslechtering van de systeemstabiliteit: een open circuit leidt tot intermitterende ingangsstroom en het geluid van de transformator bereikt 85 dB (ontwerp<65dB).
Het verbeterplan omvat:

Apparaatupgrade: vervangen door SiC-diodes en keramische verpakkingen;
Structurele versterking: gebruik van trillingsreductiebeugels en drie proefcoatings;
Monitoring-upgrade: Implementeer infraroodtemperatuur- en trillingssensoren.
Na verbetering heeft het systeem drie jaar lang continu gedraaid zonder enige diodestoring, met een jaarlijkse toename van de stroomopwekking van 12% en een verlaging van de onderhoudskosten van 70%.