¿Cuáles son las consecuencias del cortocircuito o circuito abierto del diodo en el sistema energético?

一, Reacción en cadena de falla de cortocircuito de diodo
1. Mecanismo de cortocircuito y condiciones de activación.
Un cortocircuito en un diodo suele deberse a una rotura del chip, grietas en el embalaje o una mala soldadura. En ambientes de alta temperatura y humedad, la absorción de humedad y la expansión de los materiales de embalaje pueden causar que la capa de metalización interna se rompa; En escenarios de sobretensión, las uniones PN pueden conducir permanentemente debido a una avería por avalancha. Por ejemplo, un proyecto de inversor fotovoltaico experimentó un cortocircuito en 10 ms debido a la sobretensión inversa del diodo causada por la caída de un rayo.

2. Impacto a nivel del sistema
(1) Cambio en la ruta de transmisión de energía
Falla del circuito rectificador: en un circuito rectificador de puente, si un diodo sufre un cortocircuito, provocará una conducción directa entre los lados de CA y CC, lo que provocará la saturación del transformador o del inductor. Debido a un cortocircuito en el diodo rectificador de cierto proyecto de sistema de almacenamiento de energía, la corriente de entrada aumentó tres veces el valor nominal y el transformador se quemó en 5 segundos.
Cortocircuito en el circuito de rueda libre: en los circuitos de accionamiento de motor o de almacenamiento de energía inductivo, un cortocircuito-en el diodo de rueda libre puede dañar la ruta de retroalimentación de energía. Por ejemplo, en un determinado proyecto de inversor de vehículo eléctrico, debido a un cortocircuito en el diodo de rueda libre, la fuerza contraelectromotriz del motor se aplicó directamente al dispositivo de potencia, lo que provocó que el módulo IGBT explotara en 100 μs.
(2) Fallo del mecanismo de protección
Fallo de protección anti inversión: En sistemas DC, un cortocircuito en el diodo anti inversión puede causar daño directo al equipo cuando se invierte la polaridad de alimentación. El proyecto UPS en un determinado centro de datos sufrió pérdidas de más de 500.000 yuanes debido a un cortocircuito-del diodo antiinverso, que provocó que el módulo rectificador se quemara durante una mala operación de mantenimiento.
Bypass de protección contra sobretensión: el cortocircuito del diodo TVS hará que pierda su función de sujeción y la sobretensión se transmitirá directamente al circuito posterior. Debido a un cortocircuito en un diodo TVS en un determinado proyecto de conjunto fotovoltaico, el voltaje de salida de los componentes se disparó a 1000 V (600 V nominal), lo que provocó fallas en los inversores a gran-escala.
(3) Riesgo de fuga térmica
Un cortocircuito provoca un cambio en la trayectoria de la corriente, lo que resulta en un aumento significativo en la densidad de corriente local. Una prueba de un proyecto de convertidor de energía eólica mostró que después de un cortocircuito de diodo, la temperatura de unión de los dispositivos de energía adyacentes aumentó de 85 grados a 200 grados en 2 segundos, provocando un descontrol térmico de la cadena.

2, peligros sistémicos de fallas de circuito abierto de diodo
1. Mecanismo de circuito abierto y escenarios típicos.
El circuito abierto suele ser causado por el colapso de la soldadura, la rotura de virutas o la rotura de cables. En entornos de vibración (como los vehículos eléctricos), la fractura por fatiga del plomo es una causa común; En escenarios de alta temperatura, la falta de coincidencia entre el coeficiente de expansión térmica del embalaje y el chip puede provocar grietas.

2. Impacto a nivel del sistema
(1) Interrupción de la transmisión de energía
Pérdida de salida de rectificación: en un circuito de rectificación trifásico-, si un diodo está en circuito abierto, provocará un aumento en la ondulación del voltaje de salida. Cierto proyecto de suministro de energía industrial provocó que la ondulación del voltaje de salida aumentara del 5 % al 30 % debido al circuito abierto del diodo, lo que provocó un mal funcionamiento del equipo de carga.
Circuito de funcionamiento libre desconectado: en un circuito de almacenamiento de energía inductivo, un diodo de funcionamiento libre abierto puede hacer que la energía del inductor no se libere en ninguna parte, lo que genera picos de alto voltaje. Cierto proyecto de controlador LED experimentó un aumento repentino en el voltaje del inductor a 800 V (400 V nominal) debido a un circuito abierto en el diodo de circulación libre, lo que provocó una falla del MOSFET.
(2) Pérdida de la función de protección
Fallo de protección contra sobrecorriente: en un grupo de diodos en paralelo, si uno de los diodos está abierto, los diodos restantes deben soportar una corriente mayor. Cierto proyecto de circuito de equilibrio de una batería de almacenamiento de energía provocó la sobrecarga y el quemado de otros diodos debido a un circuito abierto de un diodo, lo que provocó la sobrecarga del paquete de baterías.
Fallo de la función de aislamiento: en la protección de nivel del módulo fotovoltaico, un circuito abierto en el diodo de derivación puede exacerbar el efecto de punto caliente. Debido al circuito abierto del diodo de derivación en un determinado proyecto de central fotovoltaica, la temperatura de cierto componente aumentó a 150 grados bajo una obstrucción de sombra, provocando la rotura del vidrio.
(3) La estabilidad del sistema disminuye
Un circuito abierto puede provocar cambios en la topología del circuito, lo que puede provocar resonancia u oscilación. En cierto proyecto de módulo de carga de vehículos eléctricos se produjo un circuito abierto de diodo, lo que provocó que el circuito resonante LLC se desafinara y que el voltaje de salida fluctuara en más de ± 15 %, lo que provocó un apagado de protección.

3, Consecuencias de fallos en sistemas energéticos típicos
1. Sistema de generación de energía fotovoltaica
Impacto a nivel de componente: un circuito abierto en el diodo de derivación puede hacer que la temperatura del punto térmico del componente supere el límite cuando está parcialmente obstruido, acelerando el envejecimiento del material de embalaje; El cortocircuito puede provocar una falla de arco en el lado de CC. Según las estadísticas de una central fotovoltaica de 5 MW, los fallos de diodos representan el 18% de los fallos de los componentes, lo que provoca una pérdida anual de más de 500.000 kWh de generación de energía.
Impacto en el nivel del inversor: un cortocircuito en el diodo rectificador puede causar un voltaje incontrolado del bus de CC, lo que provocará la explosión del módulo IGBT; El circuito abierto produce una corriente de entrada intermitente, lo que provoca ruido y vibración en el transformador.
2. Sistema de almacenamiento de energía
Impacto en el equilibrio de la batería: un circuito abierto en el diodo del circuito de equilibrio puede provocar una mayor inconsistencia en el paquete de baterías y acortar el ciclo de vida; Un cortocircuito puede causar sobrecarga/sobredescarga. Debido a una falla en el diodo de equilibrio de un determinado proyecto de central eléctrica de almacenamiento de energía, la tasa de degradación de la capacidad del paquete de baterías ha aumentado del 3%/año al 8%/año.
Impacto de la conversión CC/CC: el circuito abierto del diodo rectificador síncrono puede provocar una disminución de la eficiencia de más del 10%; El cortocircuito puede causar un exceso de voltaje de salida.
3. Sistema de carga de vehículos eléctricos
Impacto del módulo de carga: el cortocircuito del diodo del circuito PFC puede causar que la tasa de distorsión de la corriente de entrada exceda el estándar, lo que activa la protección de la red; Un circuito abierto hará que el factor de potencia caiga por debajo de 0,7 y provocará una multa de la red eléctrica.
Impacto del cargador del automóvil: el circuito abierto del diodo rectificador de salida provocará la interrupción de la carga; Un cortocircuito puede causar sobretensión en la batería. En cierto incidente de retirada de vehículos, se retiraron más de 20.000 vehículos debido al riesgo de cortocircuito en el diodo de salida.
4, diagnóstico de fallas y estrategia de protección.
1. Tecnología de monitoreo en línea
Monitoreo de voltaje/corriente: Monitoreo en tiempo real del voltaje y la corriente a través del diodo a través de sensores Hall, activando una alarma si hay una fluctuación anormal superior al 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 grados), se apagará automáticamente.
Análisis del espectro de impedancia: al inyectar señales de alta-frecuencia para detectar la resistencia en serie equivalente de los diodos, la impedancia se aproxima al infinito en circuito abierto y a cero en cortocircuito.
2. Diseño redundante
Redundancia en paralelo: se conectan varios diodos en paralelo en circuitos críticos y el sistema aún puede funcionar en caso de una sola falla. Por ejemplo, un determinado inversor de energía eólica utiliza 4 diodos de SiC en paralelo y la eficiencia del sistema solo disminuye un 2 % después de un único circuito abierto.
Ruta de respaldo: instale un interruptor mecánico en paralelo con un diodo en el circuito anti-retroceso y cambie automáticamente a la ruta del interruptor cuando el diodo falle.
3. Actualizaciones de materiales y procesos
Embalaje resistente a la humedad: se utiliza un embalaje cerámico o hermético para verificar la confiabilidad mediante pruebas dobles 85 (85 grados/85 % RH/1000 h).
Soldadura de baja tensión: utilice soldadura-sin plomo y cables elásticos para verificar la resistencia a la fatiga mediante pruebas de vibración (como 5-2000 Hz/10 g).
5, Estudio de caso: Falla de diodo en un convertidor de energía eólica marina
Cierto proyecto de energía eólica marina está ubicado en una zona propensa a tifones y el diseño original utilizaba diodos ordinarios basados ​​en silicio-. Después de 2 años de funcionamiento, varios cables de diodos se rompieron (circuito abierto) debido a la vibración y 3 diodos sufrieron un cortocircuito debido a la corrosión por niebla salina. Mal funcionamiento que causa:

Interrupción de la transmisión de energía: 12 inversores se apagaron, lo que resultó en una pérdida diaria de más de 50 MWh de generación de energía por inversor;
Daños en la cadena del equipo: explosión del módulo IGBT causada por un cortocircuito, el costo de reparación supera los 2 millones de yuanes;
Degradación de la estabilidad del sistema: el circuito abierto provoca una corriente de entrada intermitente y el ruido del transformador alcanza los 85 dB (diseño<65dB).
El plan de mejora incluye:

Actualización del dispositivo: reemplácelo con diodos de SiC y empaques cerámicos;
Refuerzo estructural: mediante soportes reductores de vibraciones y tres revestimientos resistentes;
Actualización de monitoreo: implemente sensores infrarrojos de temperatura y vibración.
Luego de las mejoras, el sistema ha estado funcionando continuamente durante 3 años sin fallas en los diodos, con un aumento anual en la generación de energía del 12% y una reducción del costo de mantenimiento del 70%.