¿La falla del diodo conducirá a una disminución en la eficiencia del sistema de almacenamiento de energía?

一, Modo de falla del diodo y mecanismo de pérdida de eficiencia
1. Deterioro de las características de recuperación inversa.
En escenarios de conmutación de alta-frecuencia, como el diodo de rueda libre antiparalelo de los módulos IGBT en los convertidores de almacenamiento de energía PCS, el tiempo de recuperación inversa (Trr) y la carga de recuperación (Qrr) del diodo son los parámetros principales que determinan la eficiencia. Cuando Trr es demasiado largo o Qrr es demasiado grande, el diodo formará una "corriente de cola" significativa durante el proceso de apagado, lo que provocará los siguientes problemas:

Aumento repentino de las pérdidas de conmutación: por cada aumento de 10 ns en Trr, las pérdidas de conmutación pueden aumentar entre un 5% y un 8%. Por ejemplo, en cierto caso de inversor fotovoltaico, después de que Trr se deteriorara de 35 ns a 80 ns, la eficiencia del sistema disminuyó un 3,7 % y el aumento de temperatura del MOSFET aumentó 15 grados.
Picos de voltaje e interferencias EMI: Qrr anormal puede causar picos inversos en el voltaje del bus (como un aumento repentino de 1000 V a 1200 V), lo que representa un riesgo de falla del aislamiento y aumenta el costo del filtrado de interferencias electromagnéticas (EMI).
2. Descontrol térmico y deriva de parámetros
Cuando la temperatura de unión (Tj) del diodo excede el valor nominal (como 150 grados), se desencadenará el siguiente círculo vicioso:

Sobretensión de corriente de fuga: a altas temperaturas, la corriente de fuga inversa (IR) puede aumentar de 10 μ A a 100 μ A, lo que resulta en un aumento diez veces mayor en el consumo de energía estática.
Degradación de parámetros: la caída de tensión directa (VF) aumenta con la temperatura (por ejemplo, de 0,8 V a 1,2 V), lo que reduce directamente la eficiencia de conducción. Un estudio de caso de un sistema de almacenamiento de energía de batería de flujo de vanadio muestra que cuando la temperatura del electrolito aumenta de 25 grados a 45 grados, el VF del diodo aumenta en 0,3 V y la eficiencia de carga y descarga del sistema disminuye en un 2,1 %.
3. Fallo de embalaje y fallo de contacto.
Los defectos del embalaje (como la oxidación del pin TO-220, la absorción de humedad de los embalajes de plástico) pueden causar:

Aumento de la resistencia térmica: un contacto deficiente hace que la resistencia térmica (R θ JA) aumente de 2 grados/W a 5 grados/W, acelerando la fuga térmica.
Daño por tensión mecánica: el riesgo de rotura del pasador aumenta en un entorno de vibración. En el caso de un convertidor de energía eólica, el 10% de las clavijas de los diodos tenían microfisuras debido a la vibración del transporte, y la tasa de fallas aumentó después de 3 meses de funcionamiento.
2, Análisis de pérdida de eficiencia en escenarios típicos
1. Fallo de diodo en el convertidor de almacenamiento de energía (PCS)
En los convertidores CC-CC bidireccionales, un fallo en el diodo antiparalelo puede provocar:

Corriente intermitente: cuando hay una falla de circuito abierto, la corriente del inductor no puede continuar fluyendo, el voltaje del capacitor del módulo (Uac) continúa disminuyendo y la potencia de salida del sistema cae entre un 30% y un 50%.
Conexión directa del brazo del puente: En caso de fallo de cortocircuito, el IGBT se quema debido a una sobrecorriente. En el caso de una central eléctrica de almacenamiento de energía, un cortocircuito de un solo diodo provocó unos costes de mantenimiento del PCS superiores a los 500.000 yuanes.
2. Mal funcionamiento del diodo en el sistema de gestión de baterías (BMS)
En el circuito de equilibrio se utilizan diodos para evitar la sobrecarga de la batería y sus fallos pueden provocar:

Fallo de equilibrio: un fallo de circuito abierto provocó un desequilibrio en el voltaje de una sola batería. En el caso de un sistema de almacenamiento de energía de batería de litio, debido a un circuito abierto en el diodo, cierta batería se sobrecargó a 4,5 V (nominal de 4,2 V), lo que provocó una fuga térmica.
Fuga inversa: las fallas de cortocircuito provocan un aumento en la tasa de autodescarga del paquete de baterías, lo que resulta en un aumento del 20 % al 30 % en las pérdidas en espera del sistema.
3. Fallo de diodo en la fuente de alimentación auxiliar.
En la fuente de alimentación auxiliar CC/CC, los diodos se utilizan para proporcionar alimentación a los circuitos de control y sus fallas pueden causar:

Inestabilidad del control: una falla de circuito abierto puede causar que el tablero de control BMS o PCS pierda energía, lo que aumenta el riesgo de que el sistema se apague. En un estudio de caso de una central eléctrica de almacenamiento de energía, debido a un circuito abierto en el diodo de energía auxiliar, todo el sistema PCS se apagó simultáneamente, lo que provocó una falla en la regulación de la frecuencia de la red.
Salto de eficiencia: una falla de cortocircuito provocó que la eficiencia de la fuente de alimentación auxiliar disminuyera del 90% al 70%, lo que resultó en un aumento del doble-en el autoconsumo del sistema.
3. Estrategia de optimización de la eficiencia y práctica técnica.
1. Monitoreo dinámico y gestión de la salud.
Monitoreo de parámetros en línea: capture VF, IR, Trr y otros parámetros a través de un osciloscopio y establezca alarmas de umbral (como activar una alarma cuando VF aumenta un 10%).
Termografía infrarroja: controle periódicamente la temperatura de unión de los diodos para garantizar que Tj sea inferior o igual a 125 grados (para dispositivos de silicio) o Tj inferior o igual a 175 grados (para dispositivos de SiC).
Mantenimiento basado en datos: establezca una base de datos de fallas y prediga la vida restante (RUL) a través del aprendizaje automático. En un estudio de caso de una central eléctrica de almacenamiento de energía, esta estrategia redujo el tiempo de inactividad no planificado en un 40 %.
2. Diseño de optimización a nivel del sistema.
Mejora de la topología: la adopción de tecnología de rectificación síncrona en lugar de diodos tradicionales puede aumentar la eficiencia entre un 2 % y un 3 %. Por ejemplo, en un caso de fuente de alimentación de comunicación de 48 V, la rectificación sincrónica aumentó la eficiencia del 92 % al 95 %.
Colaboración en gestión térmica: combinación de un sistema de refrigeración líquida con una disposición optimizada de diodos. En un estudio de caso de una central eléctrica de almacenamiento de energía a nivel de megavatios, esta solución redujo el aumento de temperatura del PCS en 10 grados y aumentó la eficiencia en un 0,8%.
Diseño de redundancia: el circuito clave adopta diodos paralelos. En un estudio de caso de un sistema de almacenamiento de energía en una central nuclear, el diseño redundante logró una disponibilidad del sistema del 99,999%.