Како постићи струјну изолацију диода у више-инвертерским системима?

一, Физичка основа изолације диодне струје
Способност изолације језгра диода потиче од једносмерне проводљивости ПН спојева. Када су пристрасне унапред, рупе у П региону и електрони у Н региону се дифундују и формирају путању ниског отпора, а отпор укључења може бити чак 0,1 Ω; Када је обрнуто пристрасан, ширина слоја исцрпљивања се шири са повећањем напона, формирајући изолацију високе импедансе на нивоу мегаома и блокирајући способност реверзне струје до нивоа микроампера. Ова асиметрична проводна карактеристика га чини природним уређајем за изолацију струје.

У више-инвертерском систему, диоде постижу међустепену изолацију конструисањем једносмерне струјне путање. На пример, у двостепеном фотонапонском претварачу, изолациона диода повезана паралелно на излазу предњег-ДЦ/ДЦ претварача може да спречи повратни ток струје изазван кваровима на задњем-инвертору и заштити предње-напонске уређаје. Експериментални подаци показују да када се користи сигнална диода 1Н4148, струја обрнутог цурења износи само 0,1 μ А при обрнутом напону од 50В, а ефективна изолација прелази 99,999%.

2, Типичне апликације за изолацију у више-инвертерским системима
1. Избор путање напајања за каскадне Х{1}}мостне претвараче
У каскадном Х-мосту СТАТЦОМ (статички синхрони компензатор), свака Х- јединица моста је повезана паралелно преко ДЦ бочног кондензатора. Када дође до квара кратког споја на страни ДЦ кондензатора у одређеној јединици, Шоткијеве диоде (као што је СБ560, са падом напона унапред од 0,5 В) повезане паралелно са оба краја кондензатора могу аутоматски блокирати ширење струје квара на друге здраве јединице. Симулација показује да ова шема омогућава систему да заврши изолацију квара у року од 0,1 мс, што је три реда величине брже од традиционалних релејних шема у брзини одговора.

2. Изолација подмодула модуларног вишеслојног претварача (ММЦ)
ММЦ подмодул усваја полумост структуру. Када је напон кондензатора подмодула неуравнотежен, серијски повезана диода за брзи опоравак (као што је РФ306, време повратног опоравка од 35нс) може спречити прекомерно пуњење кондензатора. Према подацима Теннетовог ± 500кВ ДЦ пројекта преноса у Немачкој, након усвајања ове шеме, опсег флуктуације напона подмодулног кондензатора се смањио са ± 15% на ± 3%, а ефикасност система је побољшана за 1,2 процентна поена.

3. Редундантни дизајн напајања за инверторе повезане са фотонапонском мрежом
У стринг фотонапонским претварачима, вишеструки МППТ (праћење максималне снаге) канала се користе за постизање редундансе снаге преко диода или кола гејта. Када се излазна снага одређеног канала смањи због опструкције сенке, Шоткијева диода (као што је МБР2045ЦТ, са падом напона унапред од 0,32 В) аутоматски прелази на здрав канал како би осигурала стабилну излазну снагу. Тестови су показали да ова шема може повећати производњу енергије фотонапонских низова за 8% -12%, посебно у делимично опструираним сценаријима где су предности значајне.

3, Инжењерска оптимизација и стратегије побољшања перформанси
1. Избор диода са малим губицима
Пад напона унапред (0,6-0,7В) традиционалних силицијумских диода може изазвати значајне губитке у апликацијама велике струје. Коришћењем силицијум карбидних (СиЦ) Шотки диода (као што је Ц3Д06060А, пад напона унапред) 1.3В@10А) Може смањити губитак проводљивости за 60%. У фотонапонском претварачу од 100кВ, ова шема смањује губитке диода са 120В на 48В и побољшава ефикасност система за 0,05 процентних поена.

2. Оптимизација функције повратног опоравка
У апликацијама са високофреквентним прекидачима, време повратног опоравка (трр) диода директно утиче на губитке прекидача. Употреба диода за брзи опоравак (као што је ФР307, трр=100нс) може смањити губитке ИГБТ пребацивања за 35% у поређењу са обичним исправљачима (трр=500нс). Након усвајања ове шеме, пуна ефикасност оптерећења Сиеменс СИРИУС серије претварача је порасла са 98,2% на 98,7%.

3. Интегрисано решење за изолацију
Идеалан диодни контролер базиран на МОСФЕТ-у (као што је ЛМ5050) постиже нулто време опоравка кроз активну контролу. У Теслином Мегапацк систему за складиштење енергије, ово решење смањује губитак међукластера изолације са 2,5В на 0,3В и побољшава ефикасност циклуса система за 0,2 процентна поена. Истовремено, његов пад напона проводљивости од 0,05 В је смањен за 90% у поређењу са традиционалним диодама, значајно побољшавајући ефикасност конверзије енергије.

4, Фронтиер технолошки трендови
1. Примена широкопојасних полупроводничких уређаја
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>1ГХз). ЕПЦ2054 ГаН диода коју је лансирала компанија ЕПЦ има предњи пад напона од само 0,2В при струји од 10А, што је 85% ниже од СиЦ уређаја.

2. Интеграција технологије интелигентне изолације
Интелигентни диодни модул у комбинацији са дигиталном технологијом управљања може постићи динамичку компензацију пада напона и предвиђање квара. Серија интелигентних изолационих диода Повер Грид коју је лансирала компанија АББ прати параметре као што су температура споја и струја у реалном времену преко уграђених-сензора и упозорава на потенцијалне грешке 0,5 мс унапред, повећавајући средње време система између кварова (МТБФ) на 200000 сати.

5, Кључна разматрања у инжењерској пракси
1. Дизајн усклађивања параметара
Избор диода захтева свеобухватно разматрање пада напона унапред (Вф), времена повратног опоравка (трр), максималног реверзног напона (ВРРМ) и називне струје (ИФ). На пример, у фотонапонском систему од 1500В, потребно је изабрати диоде са ВРРМ већим или једнаким 1800В и резервисати струјну маргину од 30%.

2. Оптимизација управљања топлотом
У апликацијама велике{0}}е снаге, контрола температуре диодног споја је кључна. Композитна шема одвођења топлоте која користи топлотно проводну силиконску маст (термичка отпорност 0,5 степени/В) и алуминијумску подлогу (термичка отпорност 1 степен/В) може смањити температуру споја са 125 степени на 85 степени под струјом од 100А, продужавајући век трајања уређаја за више од три пута.

3. Дизајн електромагнетне компатибилности
Ди/дт шум који стварају диодни прекидачи треба да се потисне помоћу РЦ бафер кола. У претварачу од 10кВ, баферско коло које користи филмске кондензаторе од 0,1 μФ и отпорнике од 10 Ω може смањити прекорачење напона са 50В на 5В, испуњавајући стандард ИЕЦ 61000-4-5 за електромагнетну компатибилност.

6, Случајеви примене у индустрији
1. Фотонапонски инвертер Хуавеи СУН2000-125КТЛ
Овај производ усваја каскадну топологију Х-моста, при чему је сваки излаз Х-моста повезан паралелно са диодом за брзи опоравак (БИВ29-1000, трр=50нс) да би се постигла међустепена струјна изолација. Актуелни подаци тестирања показују да је у делимично опструираним сценаријима производња електричне енергије у систему повећана за 9,3% у поређењу са традиционалним решењима, а ефикасност у Европи достиже 98,8%.

2. Сиеменс СИЦАМ АИС стабилизатор мреже
У СТАТЦОМ апликацијама, уређај користи модуле силицијум карбидних диода (Ц4Д20120Д) да смањи губитке при пребацивању подмодула за 40%. Стварно мерење немачке електроенергетске мреже показује да је време одзива система скраћено са 10мс на 3мс, а капацитет подршке динамичке реактивне снаге повећан је за три пута.