จะบรรลุการแยกกระแสไฟฟ้าของไดโอดในระบบอินเวอร์เตอร์หลาย-ได้อย่างไร

一 พื้นฐานทางกายภาพของการแยกกระแสไดโอด
ความสามารถในการแยกแกนของไดโอดมาจากค่าการนำไฟฟ้าในทิศทางเดียวของจุดเชื่อมต่อ PN เมื่อเอนเอียงไปข้างหน้า รูในภูมิภาค P และอิเล็กตรอนในภูมิภาค N จะกระจายเพื่อสร้างเส้นทางความต้านทานต่ำ และความต้านทานออนสามารถต่ำได้ถึง 0.1 Ω; เมื่อไบแอสแบบย้อนกลับ ความกว้างของชั้นพร่องจะขยายตามแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการแยกอิมพีแดนซ์สูงในระดับเมกะโอห์ม และปิดกั้นความสามารถของกระแสย้อนกลับจนถึงระดับไมโครแอมแปร์ ลักษณะการนำไฟฟ้าแบบอสมมาตรนี้ทำให้เป็นอุปกรณ์แยกกระแสไฟฟ้าตามธรรมชาติ

ในระบบอินเวอร์เตอร์หลาย- ไดโอดสามารถแยกระหว่างขั้นตอนได้โดยการสร้างเส้นทางกระแสในทิศทางเดียว ตัวอย่างเช่น ในอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์แบบสอง- ไดโอดแยกที่เชื่อมต่อแบบขนานที่เอาต์พุตของตัวแปลง DC/DC ส่วนหน้าสามารถป้องกันการไหลย้อนกลับของกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากความผิดพลาดในอินเวอร์เตอร์-ส่วนท้าย และปกป้องอุปกรณ์จ่ายไฟส่วนหน้า- ข้อมูลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้ไดโอดสัญญาณ 1N4148 กระแสไฟรั่วย้อนกลับจะอยู่ที่ 0.1 μA ที่แรงดันย้อนกลับ 50V และการแยกที่มีประสิทธิภาพเกิน 99.999%

2, การใช้งานการแยกส่วนทั่วไปในระบบอินเวอร์เตอร์หลาย-
1. การเลือกเส้นทางกำลังสำหรับอินเวอร์เตอร์บริดจ์ H- แบบเรียงซ้อน
ใน H- บริดจ์แบบเรียงซ้อน STATCOM (ตัวชดเชยซิงโครนัสแบบคงที่) แต่ละยูนิตบริดจ์ H- เชื่อมต่อแบบขนานผ่านตัวเก็บประจุฝั่ง DC เมื่อข้อผิดพลาดการลัดวงจรของตัวเก็บประจุฝั่ง DC เกิดขึ้นในยูนิตบางตัว ไดโอด Schottky (เช่น SB560 ซึ่งมีแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า 0.5V) ที่เชื่อมต่อแบบขนานกับปลายทั้งสองด้านของตัวเก็บประจุสามารถบล็อกการแพร่กระจายของกระแสฟอลต์ไปยังยูนิตอื่นที่มีสุขภาพดีได้โดยอัตโนมัติ การจำลองแสดงให้เห็นว่าโครงร่างนี้ช่วยให้ระบบสามารถแยกข้อผิดพลาดได้เสร็จสิ้นภายใน 0.1 มิลลิวินาที ซึ่งเร็วกว่าโครงร่างรีเลย์แบบเดิมถึงสามเท่าในด้านความเร็วตอบสนอง

2. การแยกโมดูลย่อยของตัวแปลงหลายระดับแบบโมดูลาร์ (MMC)
โมดูลย่อย MMC ใช้โครงสร้างฮาล์ฟบริดจ์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุของโมดูลย่อยไม่สมดุล ชุดที่เชื่อมต่อไดโอดการกู้คืนอย่างรวดเร็ว (เช่น RF306 เวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับ 35ns) สามารถป้องกันการชาร์จไฟเกินของตัวเก็บประจุได้ ตามข้อมูลของโครงการส่งสัญญาณ DC ± 500kV DC ของ Tennet ในเยอรมนี หลังจากใช้รูปแบบนี้ ช่วงความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ submodule ลดลงจาก ± 15% เป็น ± 3% และประสิทธิภาพของระบบดีขึ้น 1.2 เปอร์เซ็นต์

3. การออกแบบแหล่งจ่ายไฟสำรองสำหรับอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับกริดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์
ในอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบสตริง จะใช้ช่อง MPPT (การติดตามจุดกำลังสูงสุด) หลายช่องเพื่อให้เกิดพลังงานซ้ำซ้อนผ่านไดโอดหรือวงจรเกต เมื่อกำลังเอาท์พุตของช่องสัญญาณบางช่องลดลงเนื่องจากการมีสิ่งกีดขวางเงา ไดโอด Schottky (เช่น MBR2045CT ซึ่งมีแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า 0.32V) จะสลับไปที่ช่องสัญญาณที่มีสุขภาพดีโดยอัตโนมัติเพื่อให้มั่นใจว่ากำลังเอาท์พุตมีเสถียรภาพ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าโครงการนี้สามารถเพิ่มการผลิตพลังงานของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ได้ 8% -12% โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่ถูกกีดขวางบางส่วนซึ่งมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ

3 การเพิ่มประสิทธิภาพทางวิศวกรรมและกลยุทธ์การปรับปรุงประสิทธิภาพ
1. การเลือกไดโอดสูญเสียต่ำ
แรงดันไฟฟ้าตกไปข้างหน้า (0.6-0.7V) ของไดโอดซิลิคอนแบบเดิมอาจทำให้เกิดการสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญในการใช้งานที่มีกระแสไฟฟ้าสูง การใช้ไดโอดชอตกีซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) (เช่น C3D06060A, แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า) 1.3V@10A ) สามารถลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าได้ 60% ในอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ขนาด 100kW รูปแบบนี้จะช่วยลดการสูญเสียไดโอดจาก 120W เป็น 48W และปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ 0.05 เปอร์เซ็นต์

2. การเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติการกู้คืนแบบย้อนกลับ
ในการใช้งานสวิตช์ความถี่สูง- เวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับ (trr) ของไดโอดส่งผลโดยตรงต่อการสูญเสียสวิตช์ การใช้ไดโอดฟื้นตัวเร็ว (เช่น FR307, trr=100ns) สามารถลดการสูญเสียการสลับ IGBT ได้ถึง 35% เมื่อเทียบกับวงจรเรียงกระแสทั่วไป (trr=500ns) หลังจากใช้โครงร่างนี้ ประสิทธิภาพการโหลดเต็มรูปแบบของอินเวอร์เตอร์ซีรีส์ Siemens SIRIUS เพิ่มขึ้นจาก 98.2% เป็น 98.7%

3. โซลูชันการแยกแบบรวม
ตัวควบคุมไดโอดในอุดมคติที่ใช้ MOSFET (เช่น LM5050) ให้เวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับเป็นศูนย์ผ่านการควบคุมแบบแอ็คทีฟ ในระบบกักเก็บพลังงาน Megapack ของ Tesla โซลูชันนี้ช่วยลดการสูญเสียการแยกระหว่างคลัสเตอร์จาก 2.5W เหลือ 0.3W และปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรระบบขึ้น 0.2 เปอร์เซ็นต์ ในขณะเดียวกัน แรงดันการนำไฟฟ้าที่ลดลง 0.05V จะลดลง 90% เมื่อเทียบกับไดโอดแบบเดิม ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานได้อย่างมาก

4 แนวโน้มเทคโนโลยีชายแดน
1. การประยุกต์ใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบ bandgap แบบกว้าง
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) ไดโอด EPC2054 GaN ที่บริษัท EPC เปิดตัวมีแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าเพียง 0.2V ที่กระแส 10A ซึ่งต่ำกว่าอุปกรณ์ SiC ถึง 85%

2. การบูรณาการเทคโนโลยีการแยกอัจฉริยะ
โมดูลไดโอดอัจฉริยะที่ผสมผสานกับเทคโนโลยีการควบคุมแบบดิจิทัลสามารถชดเชยแรงดันไฟฟ้าตกแบบไดนามิกและการทำนายข้อผิดพลาดได้ ซีรีส์ Power Grid ของไดโอดแยกอัจฉริยะที่เปิดตัวโดยบริษัท ABB จะตรวจสอบพารามิเตอร์ เช่น อุณหภูมิทางแยกและกระแสไฟฟ้าแบบเรียลไทม์ผ่านเซ็นเซอร์ในตัว- และแจ้งเตือนข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นล่วงหน้า 0.5 มิลลิวินาที ส่งผลให้เวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว (MTBF) ของระบบเป็น 200,000 ชั่วโมง

5 ข้อควรพิจารณาที่สำคัญในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรม
1. การออกแบบการจับคู่พารามิเตอร์
การเลือกไดโอดจำเป็นต้องพิจารณาที่ครอบคลุมเกี่ยวกับแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า (Vf) ระยะเวลาการฟื้นตัวแบบย้อนกลับ (trr) แรงดันย้อนกลับสูงสุด (VRRM) และกระแสไฟพิกัด (IF) ตัวอย่างเช่น ในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ 1500V จำเป็นต้องเลือกไดโอดที่มี VRRM มากกว่าหรือเท่ากับ 1800V และควรสงวนระยะขอบปัจจุบัน 30%

2. การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการระบายความร้อน
ในการใช้งานพลังงานสูง- การควบคุมอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อไดโอดถือเป็นสิ่งสำคัญ รูปแบบการกระจายความร้อนแบบคอมโพสิตโดยใช้จาระบีซิลิโคนนำความร้อน (ความต้านทานความร้อน 0.5 องศา /W) และพื้นผิวอลูมิเนียม (ความต้านทานความร้อน 1 องศา /W) สามารถลดอุณหภูมิทางแยกจาก 125 องศาเป็น 85 องศาภายใต้กระแสไฟฟ้า 100A ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้มากกว่า 3 เท่า

3. การออกแบบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า
สัญญาณรบกวน di/dt ที่เกิดจากสวิตช์ไดโอดจะต้องถูกระงับโดยวงจรบัฟเฟอร์ RC ในอินเวอร์เตอร์ขนาด 10kW วงจรบัฟเฟอร์ที่ใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม 0.1 μF และตัวต้านทาน 10 Ω สามารถลดแรงดันไฟฟ้าเกินจาก 50V เป็น 5V ได้ ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า IEC 61000-4-5

6 กรณีการใช้งานในอุตสาหกรรม
1. อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ Huawei SUN2000-125KTL
ผลิตภัณฑ์นี้ใช้โทโพโลยีบริดจ์ H- แบบต่อเรียง โดยเอาต์พุตบริดจ์ H- แต่ละตัวเชื่อมต่อแบบขนานกับไดโอดกู้คืนที่รวดเร็ว (BYV29-1000, trr=50ns) เพื่อให้เกิดการแยกกระแสระหว่างขั้นตอน ข้อมูลการทดสอบจริงแสดงให้เห็นว่าในสถานการณ์ที่ถูกขัดขวางบางส่วน การผลิตไฟฟ้าของระบบเพิ่มขึ้น 9.3% เมื่อเทียบกับโซลูชันแบบเดิม และประสิทธิภาพในยุโรปสูงถึง 98.8%

2. โคลงกริด Siemens SICAM AIS
ในการใช้งาน STATCOM อุปกรณ์ใช้โมดูลไดโอดซิลิคอนคาร์ไบด์ (C4D20120D) เพื่อลดการสูญเสียการสลับโมดูลย่อยลง 40% การวัดจริงของโครงข่ายไฟฟ้าของเยอรมันแสดงให้เห็นว่าเวลาตอบสนองของระบบลดลงจาก 10 มิลลิวินาทีเหลือ 3 มิลลิวินาที และความสามารถในการรองรับพลังงานรีแอกทีฟแบบไดนามิกเพิ่มขึ้น 3 เท่า