Tác động của sự cố diode trên biến tần là gì?

一, Các loại và cơ chế vật lý của sự cố diode
Sự cố điốt có thể được chia thành hai loại: sự cố điện và sự cố nhiệt, và cơ chế vật lý của chúng có liên quan chặt chẽ đến tính chất vật liệu, nồng độ pha tạp, nhiệt độ và các yếu tố khác.

1. Sự cố điện: một quá trình vật lý thuận nghịch
Sự cố điện bao gồm hai cơ chế: sự cố Zener và sự cố tuyết lở

Sự cố Zener: xảy ra ở các điểm nối PN có độ pha tạp cao (chẳng hạn như bộ điều chỉnh điện áp), trong đó chiều rộng lớp suy giảm cực kỳ hẹp (<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 (>10μm). Điện áp ngược làm tăng tốc các hạt mang điện thiểu số, khiến chúng va chạm với mạng và tạo ra các hạt mang điện mới, hình thành phản ứng dây chuyền tuyết lở. Điện áp đánh thủng do tuyết lở thường cao hơn 6V và có hệ số nhiệt độ dương (điện áp đánh thủng tăng theo nhiệt độ).
Sự cố điện về cơ bản là một quá trình vật lý thuận nghịch.

2. Sự cố nhiệt: sự cố thảm khốc không thể khắc phục
Khi dòng điện ngược tiếp tục tăng sau khi xảy ra sự cố điện hoặc khi thực hiện các biện pháp dòng điện vô hạn trong mạch, mức tiêu thụ điện năng của điểm nối PN vượt quá giá trị giới hạn, dẫn đến nhiệt độ điểm nối tăng mạnh. Tại thời điểm này, các electron hóa trị trong liên kết cộng hóa trị thu được đủ năng lượng để thoát khỏi các ràng buộc nguyên tử, tạo thành một số lượng lớn các cặp lỗ electron tự do, tiếp tục làm trầm trọng thêm sự tăng trưởng hiện tại và hình thành một vòng phản hồi dương. Cuối cùng, điểm nối PN tan chảy do quá nhiệt, tạo thành hiện tượng đoản mạch vĩnh viễn, được gọi là sự cố nhiệt. Sự cố nhiệt là không thể đảo ngược và diode sẽ mất hoàn toàn chức năng.

2, Tác hại trực tiếp của việc đánh thủng diode tới biến tần
Điốt trong bộ biến tần chủ yếu được sử dụng để chỉnh lưu, quay tự do và kẹp, và sự cố của chúng có thể gây ra sự lan truyền lỗi theo các đường khác nhau.

1. Khắc phục sự cố diode: chập điện và nổ tụ điện
Trong các bộ biến tần quang điện hoặc các nguồn điện công nghiệp, cầu chỉnh lưu gồm 6 điốt (3 cực âm chung và 3 cực dương chung). Nếu một diode đơn lẻ bị phân hủy nhiệt để tạo thành đoản mạch, nó sẽ khiến các cực dương và cực âm của bus DC dẫn điện trực tiếp, dẫn đến đoản mạch nguồn. Lúc này, tụ lọc nóng lên nhanh chóng do quá dòng, khiến chất điện phân bay hơi và nở ra, có thể dẫn đến cháy nổ. Ví dụ, trong một nhà máy quang điện nào đó, sự cố của diode chỉnh lưu khiến tụ điện phía DC phát nổ, dẫn đến việc toàn bộ mô-đun biến tần bị hỏng và tổn thất kinh tế trực tiếp hơn 100.000 nhân dân tệ.
2. Sự cố diode kẹp: Điện áp bus mất kiểm soát
Trong bộ biến tần nhiều cấp, điốt kẹp được sử dụng để hạn chế sự dao động điện áp trên bus DC. Nếu diode kẹp bị hỏng, điện áp bus có thể vượt quá dải điện áp chịu được của IGBT, gây đứt xích. Ví dụ, một bộ biến tần trung thế gặp sự cố diode kẹp, khiến điện áp bus DC tăng vọt từ 600V lên 900V, dẫn đến hư hỏng toàn bộ 12 mô-đun IGBT và thời gian tắt hệ thống lên tới 72 giờ.

3, Ảnh hưởng cấp hệ thống của sự cố diode
1. Nhiễu điện từ (EMI) và méo tín hiệu
Khi điốt bị hỏng, sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện ngắn mạch-sẽ tạo ra nhiễu điện từ tần số cao-, nhiễu này được ghép với mạch điều khiển thông qua điện dung ký sinh và gây ra biến dạng tín hiệu truyền động IGBT. Trong trường hợp bộ chuyển đổi năng lượng gió, nhiễu EMI gây ra do sự cố của diode quay tự do dẫn đến mất xung 10 μs của tín hiệu truyền động IGBT, khiến mô-men xoắn của động cơ dao động vượt quá 20% và gây ra cảnh báo rung cơ học.
2. Mạch bảo vệ hoạt động sai và tê liệt hệ thống
Biến tần hiện đại thường được trang bị chức năng bảo vệ quá dòng, quá áp và quá nhiệt. Tuy nhiên, sự cố diode có thể dẫn đến đánh giá sai mạch bảo vệ:
Hoạt động sai chức năng bảo vệ quá dòng: Dòng điện ngắn mạch có thể bị nhầm lẫn với sự thay đổi đột ngột của tải, kích hoạt bảo vệ giới hạn dòng điện và khiến hệ thống hoạt động giảm tải;
Lỗi bảo vệ quá áp: Nếu diode kẹp bị hỏng, điểm giám sát điện áp bus không thành công và không thể kích hoạt bảo vệ quá áp;
Độ trễ bảo vệ quá nhiệt: Nhiệt độ tại điểm đánh thủng diode có thể cao hơn nhiệt độ tại điểm giám sát cảm biến, gây ra độ trễ trong việc kích hoạt bảo vệ quá nhiệt.
Trong trường hợp biến tần kéo trong một tuyến đường sắt nhất định, sự cố của diode chỉnh lưu gây ra hoạt động sai bảo vệ quá dòng, dẫn đến hoạt động giảm tải thường xuyên của hệ thống. Cuối cùng, do tích tụ nhiệt, mô-đun IGBT phát nổ và đoàn tàu phải dừng hoạt động trong 12 giờ.
4, Chiến lược bảo vệ và thiết kế độ tin cậy
1. Thiết kế mạch: dự phòng và giới hạn dòng điện
Thiết kế dự phòng: Trong cầu chỉnh lưu, cấu hình dự phòng "N{0}}" được sử dụng, nghĩa là các điốt bổ sung được kết nối song song. Khi một diode bị hỏng, hệ thống vẫn có thể hoạt động với công suất giảm;
Điện trở giới hạn dòng điện: Nối nối tiếp các điện trở điện trở nhỏ (chẳng hạn như 0,1 Ω/5W) qua điốt để hạn chế dòng điện ngắn mạch-đỉnh;
Mạch đệm RC: Thêm mạch đệm RC (chẳng hạn như C=0.1 μ F, R=10 Ω) vào mạch song song diode IGBT để hấp thụ quá điện áp tắt và giảm ứng suất ngược của diode.
2. Giám sát hệ thống:-chẩn đoán theo thời gian thực và bảo trì dự đoán
Phát hiện hình ảnh nhiệt hồng ngoại: Giám sát thời gian thực nhiệt độ vỏ diode thông qua thiết bị chụp ảnh nhiệt hồng ngoại, kích hoạt cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá giá trị định mức 15 độ;
Giám sát thông số điện: Giám sát thời gian thực dòng đi-ốt thông qua các cảm biến dòng điện (chẳng hạn như cảm biến Hall) và bảo vệ được kích hoạt khi dòng điện vượt quá 1,2 lần giá trị định mức;
Dự đoán lỗi AI: Huấn luyện các mô hình máy học dựa trên dữ liệu lịch sử để dự đoán tuổi thọ còn lại (RUL) của điốt và thay thế trước các thành phần có-rủi ro cao.