電力網の故障時にダイオードはどのようにしてローカル回路を分離するのでしょうか?

一、ダイオード故障分離の物理的メカニズム
ダイオードの PN 接合構造により、自然な電流ブロック能力が得られます。電力網で短絡障害が発生すると、障害点の電圧が急激に低下し、逆バイアス電界が形成されます。このとき、ダイオードはカットオフ状態になり、逆抵抗はメガオームレベルに達する可能性があります。太陽光発電グリッド接続システムを例にとると、DC 側で極間短絡が発生した場合、太陽光発電モジュールの両端に並列に接続されたショットキー ダイオード (順方向電圧降下が 0.5 V の SB560 など) は 1000 V を超える逆電圧に耐え、0.1 μ s 以内に電流遮断を完了します。これは従来のリレー方式よりも 3 桁高速です。

通信システムでは、ダイオードの絶縁特性は障害の種類と密接に関係しています。単相地絡事故が発生すると、非故障相電圧が線間電圧レベルまで上昇します。このとき、スイッチング素子の両端に逆並列に接続したファストリカバリダイオード（FR307など、逆回復時間100ns）を使用すると、コンデンサの過充電を効果的に防止できます。ドイツの Tennet の± 500kV DC 送電プロジェクトのデータによると、この方式の採用後、サブモジュールのコンデンサ電圧の変動幅は ± 15% から ± 3% に減少し、システム効率は 1.2 ポイント向上しました。

2、典型的な障害シナリオの分離アプリケーション
1. 直流配電システムの障害ゾーニング
ダイオードベースの DC 配電システムでは、線路で永続的な 2 極短絡が発生すると、障害のある線路の初期電流は急速に 8.3kA に上昇しますが、ダイオードの逆遮断特性により、端子電流は 1ms 以内に 0 に減衰します。天津大学のLi Bin氏のチームが実施した研究によると、この方式により2つの変換所間の障害の影響範囲が制限され、従来の方式と比較して60％削減され、電圧降下時間が200ミリ秒から20ミリ秒に短縮され、電源の信頼性が大幅に向上した。

特定の実装では、各 DC バス セグメントに逆並列ダイオード モジュールが装備されています。故障電流がしきい値を超えると、高速スイッチング デバイスが 100 μ s 以内に故障経路を遮断し、ダイオードが自動的に絶縁バリアを形成します。この技術の採用後、Huawei SUN2000-125KTL 太陽光発電インバータは、部分的に障害のあるシナリオで発電量を 9.3% 増加させ、欧州効率は 98.8% となりました。

2. モジュール式マルチレベルコンバータ保護
MMC サブモジュールでは、ダイオードと IGBT が双方向ブロッキング構造を形成します。サブモジュールコンデンサの電圧不均衡が 10% を超えると、直列接続された炭化ケイ素ダイオード (C3D06060A など) の順方向電圧降下が 1.3V@10A 発生します。コンデンサの過充電を防ぐことができます。この方式の採用後、シーメンス SICAM AIS グリッド スタビライザーはサブモジュールのスイッチング損失を 40% 削減し、システムの応答時間を 10 ミリ秒から 3 ミリ秒に短縮しました。

エンジニアリングの実践では、ダイオードの逆回復特性を考慮する必要があります。ファスト リカバリ ダイオード (FR307 など) を使用すると、通常の整流器と比較して IGBT のスイッチング損失を 35% 削減できます。 ABB の Power Grid シリーズ インテリジェント絶縁ダイオードは、内蔵センサーを通じてジャンクション温度、電流、その他のパラメータをリアルタイムで監視し、潜在的な障害を 0.5 ミリ秒前に警告し、システムの平均故障間隔を 200,000 時間に延長します。{4}}

3. 分散型電源の冗長設計
ストリング太陽光発電インバータでは、複数の MPPT チャネルがダイオードまたはゲート回路を通じて電力の冗長性を実現します。影の障害物によって特定のチャネルの出力電力が低下すると、ショットキー ダイオード (順方向電圧降下が 0.32V の MBR2045CT など) が自動的に正常なチャネルに切り替わります。テストでは、この方式により、特に利点が顕著な部分的に遮蔽されたシナリオで、太陽光発電アレイの発電量を 8% ～ 12% 増加させることができることが示されています。

Tesla Megapack エネルギー貯蔵システムは統合絶縁方式を採用しており、MOSFET (LM5050 など) に基づく理想ダイオード コントローラーにより逆回復時間ゼロを実現します。このスキームは、従来のダイオードと比較して、バッテリークラスター間の絶縁損失を 2.5W から 0.3W に削減し、システムサイクル効率を 0.2% ポイント改善し、0.05V の伝導電圧降下を 90% 削減します。

3、エンジニアリングの最適化とパフォーマンス向上戦略
1. 低損失部品の選択
従来のシリコン ダイオードの伝導損失は、高周波アプリケーションではボトルネックになっています。{0}}炭化ケイ素ショットキー ダイオードを使用すると、伝導損失を 60% 削減できます。 100kW の太陽光発電インバーターでは、この方式によりダイオード損失が 120W から 48W に減少し、システム効率が 0.05% ポイント向上します。 EPC 社が発売した EPC2054 GaN ダイオードの順方向電圧降下は 10A 電流でわずか 0.2V であり、SiC デバイスよりも 85% 低くなります。

2. 熱管理の最適化
高電力アプリケーションでは、ダイオード ジャンクションの温度制御が重要です。{0}熱伝導性シリコングリス（熱抵抗0.5度/W）とアルミニウム基板（熱抵抗1度/W）を使用した複合放熱方式により、100A電流下でジャンクション温度を125度から85度に下げることができ、デバイスの寿命を3倍以上延長できます。 Huaweiのインバータは、液体冷却技術を使用してダイオードの接合温度を105度以内に制御し、電力密度を1.2kW/kgに高めます。

3. 電磁両立性設計
ダイオード スイッチによって生成される di/dt ノイズは、RC バッファ回路によって抑制する必要があります。 10kW インバータでは、0.1 μ F フィルム コンデンサと 10 Ω 抵抗を使用したバッファ回路により、電圧オーバーシュートを 50 V から 5 V に低減でき、IEC 61000-4-5 電磁両立性規格を満たします。 Siemens SIRIUS シリーズ インテリジェント絶縁ダイオードは、内蔵 RC ネットワークを通じてスイッチ ノイズを 20dB 未満に抑制します。

4、フロンティア技術動向
1. ワイドバンドギャップ半導体アプリケーション
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz）は、5G 基地局の電源や航空宇宙用の電源などのハイエンド分野で徐々にシリコン デバイスに取って代わりつつあります。- EPC 社が発売した EPC2054 GaN ダイオードの順方向電圧降下は 10A 電流でわずか 0.2V であり、SiC デバイスよりも 85% 低くなります。

2. インテリジェント絶縁技術の統合
デジタル制御技術と組み合わせたインテリジェントダイオードモジュールは、動的な電圧降下補償と故障予測を実現できます。 ABB 社が発売した Power Grid シリーズ インテリジェント絶縁ダイオードは、内蔵センサーによってジャンクション温度、電流、その他のパラメータをリアルタイムで監視し、潜在的な障害を 0.5 ミリ秒前に警告するため、システムの平均無障害時間を 200,000 時間に延長します。-

5、業界での応用事例
1. ドイツにおけるテネット直流送電プロジェクト
± 500kV DC 送電プロジェクトでは、炭化ケイ素ダイオード モジュールを使用した MMC サブモジュールにより、サブモジュール コンデンサの電圧変動範囲が ± 15% から ± 3% に減少し、システム効率が 1.2 パーセント ポイント向上しました。このプロジェクトによる年間送電容量は120億キロワット時に達し、これは一般石炭の消費量を360万トン削減することに相当する。

2. Tesla Megapack エネルギー貯蔵システム
GaN ダイオードに基づくバッテリー クラスター分離方式により、システム サイクル効率が 0.2 パーセント ポイント向上し、0.05 V で従来のダイオードと比較して導通電圧降下が 90% 削減されます。このシステムは 10 GWh を超える規模で世界中に導入され、再生可能エネルギーの消費をサポートしています。