Il guasto dei diodi porterà a una diminuzione dell’efficienza del sistema di accumulo dell’energia?

一, Modalità di guasto dei diodi e meccanismo di perdita di efficienza
1. Deterioramento delle caratteristiche di recupero inverso
Negli scenari di commutazione ad alta-frequenza, come il diodo antiparallelo a ruota libera dei moduli IGBT nei convertitori di accumulo di energia PCS, il tempo di recupero inverso (Trr) e la carica di recupero (Qrr) del diodo sono i parametri principali che determinano l'efficienza. Quando Trr è troppo lungo o Qrr è troppo grande, il diodo formerà una significativa "corrente di coda" durante il processo di spegnimento, causando i seguenti problemi:

Aumento improvviso delle perdite di commutazione: per ogni aumento di 10 ns di Trr, le perdite di commutazione possono aumentare del 5% -8%. Ad esempio, nel caso di un determinato inverter fotovoltaico, dopo che Trr è peggiorato da 35 ns a 80 ns, l'efficienza del sistema è diminuita del 3,7% e l'aumento della temperatura del MOSFET è aumentato di 15 gradi.
Picchi di tensione e interferenze EMI: Qrr anomalo può causare picchi inversi nella tensione del bus (come un aumento improvviso da 1.000 V a 1.200 V), ponendo il rischio di rottura dell'isolamento e aumentando il costo del filtraggio delle interferenze elettromagnetiche (EMI).
2. Instabilità termica e deriva dei parametri
Quando la temperatura di giunzione (Tj) del diodo supera il valore nominale (ad esempio 150 gradi), verrà attivato il seguente circolo vizioso:

Picco di corrente di dispersione: ad alte temperature, la corrente di dispersione inversa (IR) può aumentare da 10 μ A a 100 μ A, con un conseguente aumento di dieci volte del consumo di energia statica.
Degrado dei parametri: la caduta di tensione diretta (VF) aumenta con la temperatura (ad esempio da 0,8 V a 1,2 V), riducendo direttamente l'efficienza di conduzione. Un caso di studio di un sistema di accumulo di energia con batteria a flusso di vanadio mostra che quando la temperatura dell'elettrolito aumenta da 25 gradi a 45 gradi, la VF del diodo aumenta di 0,3 V e l'efficienza di carica e scarica del sistema diminuisce del 2,1%.
3. Guasto dell'imballaggio e guasto del contatto
Difetti di imballaggio (come l'ossidazione dei pin TO-220, l'assorbimento di umidità degli imballaggi in plastica) possono causare:

Aumento della resistenza termica: uno scarso contatto fa sì che la resistenza termica (R θ JA) aumenti da 2 gradi /W a 5 gradi /W, accelerando la fuga termica.
Danni da stress meccanico: il rischio di rottura del perno aumenta in un ambiente vibrante. Nel caso di un convertitore di energia eolica, il 10% dei pin del diodo presentava microfessure dovute alle vibrazioni del trasporto e il tasso di guasto è aumentato dopo 3 mesi di funzionamento.
2, Analisi della perdita di efficienza in scenari tipici
1. Guasto del diodo nel convertitore di accumulo di energia (PCS)
Nei convertitori CC-CC bidirezionali, un guasto nel diodo di ricircolo antiparallelo può causare:

Corrente intermittente: quando si verifica un guasto a circuito aperto, la corrente dell'induttore non può continuare a fluire, la tensione del condensatore del modulo (Uac) continua a diminuire e la potenza di uscita del sistema diminuisce del 30% -50%.
Collegamento diretto del braccio del ponte: In caso di guasto da cortocircuito, l'IGBT si brucia per sovracorrente. Nel caso di una centrale elettrica di accumulo di energia, un cortocircuito di un singolo diodo ha comportato costi di manutenzione del PCS superiori a 500.000 yuan.
2. Malfunzionamento dei diodi nel sistema di gestione della batteria (BMS)
Nel circuito di bilanciamento i diodi vengono utilizzati per evitare il sovraccarico della batteria e i loro guasti possono causare:

Guasto all'equilibrio: un guasto a circuito aperto ha causato uno squilibrio nella tensione di una singola batteria. Nel caso di un sistema di accumulo dell'energia con batteria al litio, a causa di un circuito aperto nel diodo, una determinata batteria è stata sovraccaricata a 4,5 V (4,2 V nominali), provocando una fuga termica.
Dispersione inversa: i guasti da cortocircuito causano un aumento del tasso di autoscarica del pacco batteria, con conseguente aumento del 20% -30% delle perdite in standby del sistema.
3. Guasto al diodo nell'alimentazione ausiliaria
Nell'alimentazione ausiliaria CC/CC, i diodi vengono utilizzati per fornire alimentazione ai circuiti di controllo e i loro guasti possono causare:

Instabilità del controllo: un guasto del circuito aperto può causare la perdita di alimentazione della scheda di controllo BMS o PCS, aumentando il rischio di arresto del sistema. Nel caso di studio di una centrale elettrica di accumulo di energia, a causa di un circuito aperto nel diodo di alimentazione ausiliario, l’intero sistema PCS si è spento simultaneamente, provocando un guasto nella regolazione della frequenza di rete.
Salto di efficienza: un guasto da cortocircuito ha causato una diminuzione dell'efficienza dell'alimentazione ausiliaria dal 90% al 70%, con un conseguente aumento di due volte dell'autoconsumo del sistema.
3, Strategia di ottimizzazione dell'efficienza e pratica tecnica
1. Monitoraggio dinamico e gestione sanitaria
Monitoraggio dei parametri online: acquisisci VF, IR, Trr e altri parametri tramite un oscilloscopio e imposta allarmi di soglia (come l'attivazione di un allarme quando la VF aumenta del 10%).
Termografia a infrarossi: monitorare regolarmente la temperatura di giunzione dei diodi per garantire Tj inferiore o uguale a 125 gradi (per dispositivi al silicio) o Tj inferiore o uguale a 175 gradi (per dispositivi SiC).
Manutenzione basata sui dati: creazione di un database dei guasti e previsione della vita residua (RUL) attraverso l'apprendimento automatico. In un caso di studio di una centrale elettrica di accumulo di energia, questa strategia ha ridotto i tempi di inattività non pianificati del 40%.
2. Progettazione dell'ottimizzazione a livello di sistema
Miglioramento della topologia: l'adozione della tecnologia di rettifica sincrona invece dei diodi tradizionali può aumentare l'efficienza del 2% -3%. Ad esempio, in un caso di alimentazione per comunicazioni a 48 V, il raddrizzamento sincrono ha aumentato l'efficienza dal 92% al 95%.
Collaborazione nella gestione termica: combinazione del sistema di raffreddamento a liquido con layout dei diodi ottimizzato. In un caso di studio di una centrale elettrica con accumulo di energia a livello di megawatt, questa soluzione ha ridotto l’aumento della temperatura del PCS di 10 gradi e aumentato l’efficienza dello 0,8%.
Design di ridondanza: il circuito chiave adotta diodi paralleli. In un caso di studio di un sistema di accumulo di energia in una centrale nucleare, il progetto di ridondanza ha raggiunto una disponibilità del sistema del 99,999%.