¿Cuál es la función de protección de los diodos en paquetes de baterías en paralelo de microrredes?

一, Principio técnico: construcción de una barrera protectora con conductividad unidireccional.
La característica principal de un diodo es su conductividad unidireccional -: solo permite que la corriente fluya desde el ánodo al cátodo y exhibe un estado de alta resistencia cuando se invierte. Esta característica se puede transformar en un mecanismo de protección dual en paquetes de baterías en paralelo de microrredes:

1. Bloqueo de corriente inversa: evita el reflujo de energía.
Cuando una rama de un paquete de baterías paralelo experimenta una caída de voltaje debido a una falla (como un cortocircuito de la batería) o iluminación insuficiente, la corriente de otras ramas normales puede regresar a la rama defectuosa a través de una ruta de baja resistencia, formando un "reflujo de energía". En este punto, los diodos conectados en paralelo en ambos extremos de la rama defectuosa se cortarán debido a la polarización inversa, bloqueando el flujo de corriente. Por ejemplo, en un sistema paralelo de celdas fotovoltaicas, si una determinada celda está bloqueada y el voltaje de salida disminuye, el diodo de derivación conectado en paralelo conducirá inmediatamente, cortocircuitará-la rama defectuosa y evitará que la celda normal suministre energía a la celda defectuosa a la inversa, evitando así el sobrecalentamiento local causado por el efecto de punto caliente.

2. Abrazadera de voltaje: estabiliza el voltaje del sistema
La caída de tensión directa de los diodos (aproximadamente 0,6 V para los diodos de silicio y aproximadamente 0,4 V para los diodos Schottky) se puede utilizar como punto de referencia de tensión natural. En un paquete de baterías en paralelo, se puede construir un circuito de abrazadera de voltaje graduado conectando múltiples diodos en serie. Por ejemplo, un proyecto de microrred utiliza tres diodos de silicio en serie para formar una caída de voltaje fija de 1,8 V. Cuando el voltaje de una determinada rama excede este valor, el diodo conduce y descarga el exceso de voltaje a tierra, protegiendo así la carga final del impacto de la sobretensión.

2, escenario de aplicación: cubrir todos los requisitos de protección del ciclo de vida
La función de protección de los diodos pasa por las etapas de planificación, operación y mantenimiento de paquetes de baterías en paralelo, con escenarios de aplicación específicos que incluyen:

1. Protección contra inversión de polaridad: evita errores de instalación
Cuando el paquete de baterías se conecta inicialmente a la microrred, el operador puede provocar sin darse cuenta que se inviertan los polos positivo y negativo. En este punto, el diodo (como el 1N4007) conectado en serie en el extremo de entrada de energía se cortará debido a la polarización inversa, bloqueando el flujo de corriente y evitando daños a la batería o a los dispositivos backend causados ​​por la corriente inversa. Un proyecto de generación de energía distribuida utilizó diodos Schottky (caída de voltaje de 0,3 V) como componentes de protección inversa, que interceptaron con éxito múltiples accidentes de conexión inversa y al mismo tiempo garantizaron bajas pérdidas.

2. Supresión de voltaje transitorio: cómo lidiar con el juego de carga inductiva
Cuando los paquetes de baterías en paralelo impulsan cargas inductivas, como motores y relés, se generará una fuerza electromotriz inversa de cientos o incluso miles de voltios cuando se apaga la carga. En este punto, los diodos de libre circulación (como los diodos de recuperación rápida) conectados en paralelo en ambos extremos de la carga conducirán rápidamente, proporcionando una ruta de descarga para la corriente inversa y evitando picos de alto-voltaje que atraviesen el tubo del interruptor o el paquete de baterías. Un determinado proyecto de estación de carga de vehículos eléctricos utiliza diodos de SiC como componentes de funcionamiento libre, con un tiempo de recuperación inversa de solo 20 ns, suprimiendo eficazmente las sobretensiones durante el arranque y parada del motor.

3. Mitigación del desajuste de energía: optimización de la eficiencia paralela
En un paquete de baterías en paralelo, si el rendimiento de una batería derivada se deteriora (como una capacidad reducida o una resistencia interna aumentada), su voltaje de salida será más bajo que el de otras ramas, lo que resultará en una distribución de corriente desigual. En este punto, el diodo de bloqueo conectado en serie en la entrada de la rama puede evitar que la rama de bajo-voltaje se convierta en un "agujero negro de energía". Por ejemplo, en un determinado proyecto de microrred fotovoltaica, los diodos de bloqueo se conectan en serie antes de cada rama paralela. Cuando el voltaje de una rama es inferior al promedio del sistema, el diodo se apaga para evitar que la rama normal suministre energía en sentido inverso a la rama defectuosa, reduciendo así la pérdida de energía del 75% al ​​10%.

3. Estrategia de optimización: equilibrio entre rendimiento y coste
Aunque la función de protección del diodo es importante, aún es necesario optimizar su caída de voltaje, su consumo de energía y sus problemas de distribución de corriente paralela. Las siguientes estrategias pueden mejorar la eficacia de la protección:

1. Optimización de la selección: escenarios de aplicación coincidentes
Escenario de baja caída de voltaje: utilice diodos Schottky (caída de voltaje de 0,4 V) o diodos de carburo de silicio (caída de voltaje de 0,2 V) para reducir el consumo de energía. Por ejemplo, en un paquete de baterías de 48 V, el uso de diodos Schottky puede reducir la pérdida por caída de voltaje de 0,7 V a 0,4 V y aumentar la eficiencia en un 0,6 %.
Escenario de alta frecuencia: utilice diodos de recuperación rápida (tiempo de recuperación inversa 20-200 ns) para evitar pérdidas por conmutación. Después de adoptar diodos de recuperación rápida en un determinado proyecto de suministro de energía conmutada, la pérdida de recuperación inversa se redujo en un 40 %.
Escenario de alta corriente: al utilizar diodos de carburo de silicio, sus características de coeficiente de temperatura positivo pueden lograr un intercambio de corriente natural. Después de la conexión en paralelo de varios diodos de carburo de silicio en un proyecto de transmisión de corriente continua de alto-voltaje, el error de reparto de corriente disminuyó del 15 % al 5 %.
2. Innovación en topología: esquema de protección compuesto
Diodo TVS + diodo ordinario: en escenarios de protección contra rayos, los diodos de supresión transitoria (TVS) paralelos absorben el alto voltaje transitorio y los diodos ordinarios en serie bloquean la corriente inversa continua. Después de adoptar este esquema en un determinado proyecto de estación base de comunicaciones, la tasa de daños por rayos disminuyó del 5% al ​​0,2%.
Módulo de diodos inteligente: integra diodos y MOSFET para lograr protección dinámica a través de señales de control. Después de adoptar módulos de diodos inteligentes en un determinado proyecto de sistema de almacenamiento de energía, el tiempo de respuesta se redujo de microsegundos a nanosegundos y la eficiencia de protección se mejoró en un 90%.
3. Gestión térmica: evitar fugas térmicas
El consumo de energía del diodo (P=IV) puede provocar un sobrecalentamiento local y debe optimizarse mediante un diseño de disipación de calor. Por ejemplo, cuando se conectan varios diodos en paralelo, se utiliza un diseño de disipador de calor común para garantizar el equilibrio de temperatura. Un proyecto de UPS de centro de datos optimizó la ruta de disipación de calor, reduciendo la temperatura de la unión del diodo de 150 grados a 120 grados y extendiendo su vida útil tres veces.