¿Cuál es el impacto de la rotura del diodo en el inversor?

一, Tipos y mecanismos físicos de rotura de diodos.
La ruptura de los diodos se puede dividir en dos tipos: ruptura eléctrica y ruptura térmica, y sus mecanismos físicos están estrechamente relacionados con las propiedades del material, la concentración de dopaje, la temperatura y otros factores.

1. Avería eléctrica: un proceso físico reversible
La avería eléctrica incluye dos mecanismos: avería Zener y avería por avalancha.

Desglose Zener: ocurre en uniones PN altamente dopadas (como reguladores de voltaje), donde el ancho de la capa de agotamiento es extremadamente estrecho (<1 μ m). Under the action of reverse voltage, a strong electric field directly pulls out the valence electrons in covalent bonds, forming electron hole pairs, resulting in a sharp increase in reverse current. Zener breakdown voltage is usually below 4V and has a negative temperature coefficient (breakdown voltage decreases with increasing temperature).
Avalanche breakdown: commonly seen in low doped PN junctions, with a wide depletion layer (>10 µm). El voltaje inverso acelera a los portadores minoritarios, haciendo que colisionen con la red y generen nuevos portadores, formando una reacción en cadena de avalancha. El voltaje de ruptura de avalancha es generalmente superior a 6 V y tiene un coeficiente de temperatura positivo (el voltaje de ruptura aumenta con la temperatura).
La falla eléctrica es esencialmente un proceso físico reversible.

2. Avería térmica: fallo catastrófico irreversible
Cuando la corriente inversa continúa aumentando después de una falla eléctrica, o cuando se toman infinitas medidas de corriente en el circuito, el consumo de energía de la unión PN excede el valor límite, lo que resulta en un fuerte aumento en la temperatura de la unión. En este punto, los electrones de valencia en el enlace covalente ganan suficiente energía para liberarse de las restricciones atómicas, formando una gran cantidad de pares de huecos de electrones libres, lo que exacerba aún más el crecimiento actual y forma un circuito de retroalimentación positiva. Finalmente, la unión PN se funde debido al sobrecalentamiento, formando un cortocircuito permanente, conocido como ruptura térmica. La ruptura térmica es irreversible y el diodo perderá completamente su función.

2, Daño directo por rotura de diodos a los inversores
Los diodos en los inversores se utilizan principalmente para rectificación, rueda libre y sujeción, y su falla puede provocar la propagación de fallas en diferentes rutas.

1. Avería del diodo rectificador: cortocircuito de potencia y explosión del condensador
En inversores fotovoltaicos o fuentes de energía industriales, el puente rectificador consta de 6 diodos (3 de cátodo común y 3 de ánodo común). Si un solo diodo se descompone térmicamente para formar un cortocircuito, hará que los polos positivo y negativo del bus de CC conduzcan directamente, lo que provocará un cortocircuito de alimentación. En este punto, el condensador de filtrado se calienta rápidamente debido a la sobrecorriente, lo que provoca que el electrolito se vaporice y se expanda, lo que puede provocar una explosión. Por ejemplo, en una determinada central fotovoltaica, la rotura del diodo rectificador provocó la explosión del condensador del lado de CC, lo que provocó el desguace de todo el módulo inversor y una pérdida económica directa de más de 100.000 yuanes.
2. Avería del diodo de sujeción: tensión del bus fuera de control
En los inversores multi-nivel, se utilizan diodos de sujeción para limitar las fluctuaciones de voltaje del bus de CC. Si el diodo de sujeción se estropea, el voltaje del bus puede exceder el rango de voltaje soportado del IGBT, provocando la rotura de la cadena. Por ejemplo, un convertidor de frecuencia de voltaje medio experimentó una falla en el diodo de sujeción, lo que provocó que el voltaje del bus de CC aumentara de 600 V a 900 V, lo que provocó daños en los 12 módulos IGBT y un tiempo de apagado del sistema de hasta 72 horas.

3, efectos a nivel del sistema de la rotura del diodo
1. Interferencia electromagnética (EMI) y distorsión de la señal.
Cuando un diodo se estropea, el cambio rápido en la corriente de cortocircuito-generará interferencia electromagnética de alta-frecuencia, que se acopla al circuito de control a través de capacitancia parásita y causa distorsión de la señal del controlador IGBT. En el caso de un convertidor de energía eólica, la interferencia EMI causada por la falla del diodo de rueda libre resultó en una pérdida de pulso de 10 μs de la señal de accionamiento del IGBT, lo que provocó que el par del motor fluctuara más del 20 % y activara una alarma de vibración mecánica.
2. Mal funcionamiento del circuito de protección y parálisis del sistema.
Los inversores modernos suelen estar equipados con funciones de protección contra sobrecorriente, sobretensión y sobretemperatura. Sin embargo, la avería del diodo puede provocar un error de evaluación del circuito de protección:
Mal funcionamiento de la protección contra sobrecorriente: la corriente de cortocircuito puede confundirse con un cambio repentino en la carga, lo que activa la protección limitadora de corriente y provoca la reducción de potencia del sistema;
Fallo de protección contra sobretensión: si el diodo de sujeción se rompe, el punto de monitoreo de voltaje del bus falla y la protección contra sobretensión no se puede activar;
Retraso de protección contra sobretemperatura: la temperatura en el punto de ruptura del diodo puede ser mayor que la temperatura en el punto de monitoreo del sensor, lo que provoca un retraso en la activación de la protección contra sobretemperatura.
En el caso de un inversor de tracción en un determinado tránsito ferroviario, la falla del diodo rectificador provocó un mal funcionamiento de la protección contra sobrecorriente, lo que resultó en una frecuente reducción de la potencia del sistema. Finalmente, debido a la acumulación de calor, el módulo IGBT explotó y el tren estuvo detenido durante 12 horas.
4. Estrategia de protección y diseño de confiabilidad.
1. Diseño de circuitos: redundancia y limitación de corriente.
Diseño redundante: en el puente rectificador se adopta una configuración redundante "N+1", lo que significa que se conectan diodos adicionales en paralelo. Cuando un solo diodo se estropea, el sistema aún puede funcionar a capacidad reducida;
Resistencia limitadora de corriente: conecte resistencias pequeñas (como 0,1 Ω/5 W) en serie a través del diodo para limitar la corriente máxima de cortocircuito-;
Circuito buffer RC: agregue un circuito buffer RC (como C=0.1 μ F, R=10 Ω) al circuito paralelo del diodo IGBT para absorber la sobretensión de apagado y reducir la tensión inversa del diodo.
2. Monitoreo del sistema: diagnóstico-en tiempo real y mantenimiento predictivo
Detección de imágenes térmicas infrarrojas: monitoreo en tiempo real de la temperatura de la carcasa del diodo a través de una cámara termográfica infrarroja, que activa una alarma cuando la temperatura excede el valor nominal de 15 grados;
Monitoreo de parámetros eléctricos: monitoreo en tiempo real de la corriente del diodo a través de sensores de corriente (como sensores Hall), y la protección se activa cuando la corriente excede 1,2 veces el valor nominal;
Predicción de fallas de IA: entrene modelos de aprendizaje automático basados ​​en datos históricos para predecir la vida restante (RUL) de los diodos y reemplazar los componentes de alto-riesgo por adelantado.