Kuinka käyttää diodeja yksisuuntaisen energiansiirron saavuttamiseksi mikroverkoissa?

1, Diodien yksisuuntaisen johtavuuden fyysinen perusta
Diodin ydinrakenne on PN-liitos, joka muodostuu P--tyypin puolijohteen (jossa on suuri reikäpitoisuus) ja N--tyypin puolijohteen (korkealla elektronipitoisuudella) yhdistelmällä. PN-liitosrajapinnassa elektronit diffundoituvat N-alueelta P-alueelle ja reiät diffundoituvat P-alueelta N-alueelle, jolloin P-alue on negatiivisesti varautunut lähellä risteystä ja N-alue positiivisesti varautumaan risteyksen lähellä, muodostaen sisäisen sähkökentän (avaruusvarausalueen). Tällä sähkökentällä on kaksi keskeistä ominaisuutta:

Positiivinen johtavuus: Kun P-alue on kytketty virtalähteen positiiviseen napaan ja N-alue negatiiviseen napaan, ulkoinen sähkökenttä heikentää sisäänrakennettua -sähkökenttää, tilavarausalue kapenee ja useimmat kantoaaltoalueet (elektroneja ja reikiä) voivat ylittää liitosalueen muodostaen virran, mikä johtaa diodin alhaiseen resistanssitilaan.
Käänteinen katkaisu: Kun P-alue on kytketty negatiiviseen elektrodiin ja N-alue positiiviseen elektrodiin, ulkoinen sähkökenttä tehostaa sisäänrakennettua -sähkökenttää, avaruusvarausalue laajenee, useimmat varauksenkuljettajat ovat tukossa ja vain muutama varauksenkuljettaja muodostaa pienen käänteisen virran (vuotovirran), mikä johtaa diodin korkeaan resistanssitilaan.
Tämä ominaisuus tekee diodeista ihanteellisen komponentin yksisuuntaisen energiavirran saavuttamiseksi. Esimerkkinä piidiodeista niiden eteenpäin johtava jännitehäviö on noin 0,6-0,7 V ja niiden käänteinen läpilyöntijännite voi olla useita satoja voltteja, mikä voi täyttää eristysvaatimukset pienjännitteisestä tasajännitteestä (kuten 48 V) keskijännitteeseen tasavirtaan (kuten 400 V) mikroverkoissa.

2, perusvaatimus yksisuuntaiselle energiansiirrolle mikroverkoissa
Mikroverkkojen energiavirrat ovat monilähteisiä, kaksisuuntaisia ​​ja dynaamisia, ja sen energianhallinnan on vastattava kolmeen ydinongelmaan:

Virtalähteiden välinen eristys: estää eri virtalähteitä (kuten aurinkosähkö, energiavarasto, dieselgeneraattorit) vaikuttamasta toisiinsa jännitteen vaihteluiden tai vikojen vuoksi.
Energian takaisinkytkennän ohjaus: Estää energiaa virtaamasta takaisin heikkoon verkkoon ja aiheuttamasta jännitteen nousua moottorijarrutuksen tai aurinkosähkön ylituotannon aikana.
Nopea vian eristäminen: Kun virtalähteessä tai kuormassa tapahtuu oikosulku, vikapolku katkaistaan ​​vian leviämisen estämiseksi.
Perinteiset ratkaisut perustuvat kontaktoreihin tai katkaisijoihin, mutta ne kärsivät hitaista vasteajoista (millisekunteina), mekaanisesta kulumisesta ja muista ongelmista. Diodista nanosekunnin vastenopeudellaan ja ilman mekaanisia kosketusominaisuuksia on tullut avainkomponentti nopean ja luotettavan energiaeristyksen saavuttamiseksi.

3, Tyypilliset sovellusskenaariot diodien mikroverkoissa
(1) Tasavirtaväylän energian yksisuuntainen siirto
DC-mikroverkoissa diodeja käytetään yleisesti rakentamaan yksisuuntaisia ​​johtavia linkkejä, jotka mahdollistavat energiavirran ohjauksen eri jännitetasojen virtakiskojen välillä. Esimerkiksi:

Aurinkosähköinen energian varastointijärjestelmä: Aurinkosähköjärjestelmä syöttää virtaa 48 V DC-väylään diodien kautta, ja energian varastointiakku on kytketty samaan väylään DC/DC-muuntimen kautta. Kun aurinkosähkön lähtöteho ylittää kuormitustarpeen, diodi estää energiaa virtaamasta takaisin aurinkosähköpaneeliin, mikä estää paneelin vaurioitumisen käänteisen esijännityksen aiheuttaman kuumennuksen vuoksi; Samaan aikaan energian varastointijärjestelmä imee ylimääräistä energiaa kaksisuuntaisten DC/DC-muuntimien kautta.
Useiden virtalähteiden rinnakkaiskytkentä: Tuulen aurinkoenergian varastointia täydentävässä mikroverkossa eri virtalähteet on kytketty rinnan DC-väylään diodien kautta. Kun virtalähde sammuu vian vuoksi, diodi katkaisee automaattisesti yhteyden väylään estääkseen vikajännitteen vaikuttamasta muihin virtalähteisiin.
(2) Energian takaisinkytkennän vaimennus viestintäpuolella
Viestinnän mikroverkossa diodien ja tyristoreiden tai IGBT:iden yhdistelmä voi rakentaa energian takaisinkytkennän vaimennuspiirejä. Esimerkiksi:

Moottorin käyttöjärjestelmä: Kun moottori on jarrutustilassa, regeneroitu energia syötetään takaisin DC-väylään käänteisten rinnakkaisten diodien kautta. Jos väylän jännite on liian korkea, diodi kytketään sarjaan jarruvastuksen kanssa ylimääräisen energian muuntamiseksi lämpöenergian kulutukseksi, mikä estää DC-väylän ylijännitteen.
Hajautetun sukupolven verkkoliitäntä: Invertterin lähtöpäässä diodit voivat estää energian virtaamisen takaisin invertteriin verkkovikojen (kuten jännitepiikin) sattuessa, mikä suojaa teholaitteita ylivirtavaurioilta.
(3) Nopea vian eristys ja suojaus
Diodeilla on ainutlaatuisia etuja mikroverkon vikasuojauksessa. Esimerkiksi:

DC-oikosulkusuojaus: DC-mikroverkossa, jos haarassa tapahtuu oikosulku, oikosulkuvirta muodostaa matalaimpedanssisen piirin diodin läpi. Tällä hetkellä nopea sulake tai katkaisija voi havaita ylivirtasignaalin ja katkaista viallisen haaran, kun taas diodi voi estää oikosulkuvirtaa virtaamasta takaisin muihin terveisiin haaroihin.
Maadoitusvian eristäminen: IT-maadoitusjärjestelmissä diodeja voidaan käyttää eristysvalvontapiirien rakentamiseen. Kun tietyssä vaiheessa tapahtuu maadoitusvika, diodi johtaa muodostaen pienen virran ja valvontalaite paikantaa vikakohdan havaitsemalla tämän virran. Samalla diodi rajoittaa vikavirran amplitudia estääkseen laitevaurion.
4, Keskeiset tekniset kohdat insinöörikäytännössä
(1) Diodin valinta ja parametrien sovitus
Mikrogrid-sovelluksissa diodien valinnassa tulee ottaa huomioon seuraavat parametrit:

Nimellisjännite: Sen tulee olla suurempi kuin järjestelmän suurin käyttöjännite ja jättää marginaali 20% -50%. Esimerkiksi 400 V DC väylässä tulisi valita diodit, joiden kestojännite on 600 V tai suurempi.
Nimellisvirta: Se on valittava suurimman kuormitusvirran ja ylikuormituskapasiteetin perusteella. Esimerkiksi aurinkosähköjärjestelmässä diodin nimellisvirran tulee olla suurempi kuin aurinkosähköjärjestelmän oikosulkuvirta.
Käänteinen palautumisaika: Korkean{0}}taajuuden vaihtosovelluksissa (kuten PWM-modulaatiossa) nopeat palautusdiodit lyhyellä käänteisellä palautusajalla (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Lämmönvastus ja lämmönpoisto: Diodin liitoslämpötilaa tulee säätää alle 150 astetta ja sopiva lämmönpoistomenetelmä (kuten luonnollinen jäähdytys, ilmajäähdytys tai nestejäähdytys) tulee valita virrankulutuksen mukaan.
(2) Järjestelmän topologian optimointi
Mikrogridissä olevien diodien topologiarakenne on suunniteltava erityisvaatimusten mukaan. Esimerkiksi:

Sarjadiodi: käytetään parantamaan jännitetason kestoa, mutta jännitteen tasaamiseen tulee kiinnittää huomiota, jotta diodin ylijännite ei katkea epätasaisen jännitteen jakautumisen vuoksi.
Rinnakkaisdiodi: käytetään parantamaan virran kantavuutta, mutta virran jakamiseen tulee kiinnittää huomiota, jotta vältetään diodin ylikuumeneminen ja vaurioituminen epätasaisesta virranjakaumasta.
Diodi MOSFET/IGBT-hybriditopologia: Skenaarioissa, joissa tarvitaan kaksisuuntaista energiavirtaa, voidaan käyttää diodin ja MOSFET/IGBT:n hybriditopologiaa. Esimerkiksi kaksisuuntaisissa DC/DC-muuntimissa diodeja käytetään yksisuuntaiseen johtamiseen ja MOSFETejä käänteiseen johtamiseen, jolloin saadaan aikaan energian kaksisuuntainen virtauksen säätö.
(3) Yhteistyöllinen valvontastrategia
Mikroverkoissa olevien diodien energianhallinta on koordinoitava ohjausstrategioiden kanssa. Esimerkiksi:

Diodeihin perustuva energianhallintaalgoritmi: Tarkkailemalla DC-väylän jännitettä ja eri virtalähteiden lähtötehoa säätämällä dynaamisesti diodien johtavuustilaa optimaalisen energian allokoinnin saavuttamiseksi.
Vikasuojastrategia: Suunnittele nopeat ja luotettavat vianhavaitsemis- ja -eristysalgoritmit diodien johtavuusominaisuuksien perusteella. Esimerkiksi kun tietyssä haarassa havaitaan epänormaali virta, kyseisen haaran diodi katkeaa välittömästi vian leviämisen estämiseksi.
5, Tapaustutkimus: Diodien käyttö saarimikroverkoissa
Tietyn saaren mikroverkkoprojektissa käytetään DC-väyläarkkitehtuuria, joka yhdistää aurinkosähkön, energian varastoinnin, dieselgeneraattorit ja kuormat. Energianhallintasuunnitelma on seuraava:

Aurinkosähköjärjestelmä: Aurinkosähköjärjestelmä syöttää virtaa 48 V DC -väylään diodien kautta, jotka estävät energian virtaamisen takaisin aurinkopaneeliin yöllä tai vikojen aikana.
Energian varastointijärjestelmä: Litiumakut on kytketty väylään kaksisuuntaisen DC/DC-muuntimen kautta energian latauksen ja purkamisen ohjaamiseksi.
Dieselgeneraattori: Varavirtalähteenä se on kytketty virtakiskoon diodien kautta estämään energian takaisinvirtaus virtakiskosta, kun generaattori sammutetaan.
Kuormanhallinta: DC-kuormat kytketään suoraan väylään, kun taas AC-kuormat kytketään invertterin kautta. Invertterin lähtöliitin on varustettu diodeilla estämään energian virtaaminen takaisin invertteriin verkkovikojen sattuessa.
Tällä järjestelmällä saavutetaan turvallinen eristys ja yksisuuntainen energiavirtaus aurinkosähkö-, energiavarasto- ja dieselgeneraattoreiden välillä diodien kautta, mikä parantaa järjestelmän tehokkuutta 92 %:iin ja lyhentää vian vasteaikaa 10 μs:iin.