ダイオードの短絡または開回路がエネルギー システムに与える影響は何ですか?

一、ダイオード短絡故障の連鎖反応
1. 短絡のメカニズムとトリガー条件
ダイオードの短絡は通常、チップの故障、パッケージの亀裂、またははんだ付け不良によって発生します。高温多湿の環境では、包装材料の吸湿と膨張により、内部のメタライゼーション層が破損する可能性があります。過電圧シナリオでは、アバランシェ降伏により PN 接合が永続的に導通する可能性があります。たとえば、太陽光発電インバータ プロジェクトでは、落雷によるダイオードの逆過電圧により 10 ミリ秒以内に短絡が発生しました。

2. システムレベルの影響
(1) エネルギー伝達経路の変化
整流回路の故障: ブリッジ整流回路では、ダイオードが短絡すると、AC 側と DC 側の間で直接導通が発生し、トランスまたはインダクタの飽和が発生します。あるエネルギー貯蔵システムプロジェクトの整流ダイオードの短絡により、入力電流が定格の3倍に急増し、トランスが5秒以内に焼損した。
フリーホイーリング回路の短絡: モーター駆動回路や誘導エネルギー貯蔵回路では、フリーホイーリング ダイオードの短絡によりエネルギー フィードバック パスが損傷する可能性があります。{0}}例えば、ある電気自動車用インバータプロジェクトでは、還流ダイオードの短絡により、モータの逆起電力が直接パワーデバイスに加わり、100μs以内にIGBTモジュールが爆発してしまいました。
(2) 保護機構の故障
逆方向保護の故障: DC システムでは、電源の極性が逆になったときに、逆方向防止ダイオードの短絡が機器に直接的な損傷を引き起こす可能性があります。あるデータセンターの UPS プロジェクトでは、メンテナンス時の誤操作中に整流器モジュールが焼損した逆流防止ダイオードの短絡により、50 万元以上の損失が発生しました。{2}}
過電圧保護バイパス: TVS ダイオードが短絡するとクランプ機能が失われ、過電圧が後続の回路に直接伝達されます。特定の太陽光発電アレイ プロジェクトにおける TVS ダイオードの短絡により、コンポーネントの出力電圧が 1000V (定格 600V) まで上昇し、大規模なインバータ障害が発生しました。-
(3) 熱暴走の危険性
短絡により電流経路が変化し、その結果、局所的な電流密度が大幅に増加します。風力発電コンバータ プロジェクトのテストでは、ダイオードの短絡後、隣接するパワー デバイスのジャンクション温度が 2 秒以内に 85 度から 200 度に上昇し、チェーンの熱暴走を引き起こすことがわかりました。

2、ダイオード断線故障による全身的危険性
1. 開回路メカニズムと典型的なシナリオ
開回路は通常、溶接崩壊、チップの破損、またはリードの破損によって発生します。振動環境 (電気自動車など) では、鉛の疲労破壊が一般的な原因となります。高温のシナリオでは、パッケージとチップの熱膨張係数の不一致により、亀裂が発生する可能性があります。

2. システムレベルの影響
(1) エネルギー伝達の中断
整流出力損失: 三相整流回路では、ダイオードがオープン回路になると、出力電圧リップルが増加します。ある産業用電源プロジェクトにおいて、ダイオードのオープンにより出力電圧リップルが5%から30%に増加し、負荷機器が誤動作する問題が発生しました。
切断されたフリーホイーリング回路: 誘導エネルギー蓄積回路では、フリーホイーリング ダイオードが開いているため、インダクタのエネルギーがどこにも放出されず、高電圧スパイクが発生する可能性があります。特定の LED ドライバ プロジェクトでは、フリーホイーリング ダイオードの開回路によりインダクタ電圧が 800V (定格 400V) まで上昇し、MOSFET が破壊されました。
(2) 保護機能の喪失
過電流保護の障害: 並列ダイオード グループでは、ダイオードの 1 つが開いている場合、残りのダイオードはより大きな電流に耐える必要があります。あるエネルギー貯蔵電池のバランス回路プロジェクトでは、1 つのダイオードの開回路により他のダイオードが過負荷および焼損し、その結果、電池パックが過充電になってしまいました。
絶縁機能の故障: 太陽光発電モジュール レベルの保護では、バイパス ダイオードの開回路によりホット スポット効果が悪化する可能性があります。とある太陽光発電所のプロジェクトにおいて、バイパスダイオードの断線により、物陰に遮られて一部の部品の温度が150度まで上昇し、ガラスが破損する事故が発生しました。
(3) システムの安定性が低下する
開回路は回路トポロジの変化を引き起こし、共振や発振を引き起こす可能性があります。特定の電気自動車充電モジュール プロジェクトでは、ダイオードの開回路が発生し、LLC 共振回路が離調し、出力電圧が ± 15% 以上変動し、保護シャットダウンが発生しました。

3. 典型的なエネルギーシステムにおける障害の結果
1. 太陽光発電システム
コンポーネント レベルの影響: バイパス ダイオードの開回路により、部分的に遮断された場合にコンポーネントのサーマル スポット温度が制限を超え、パッケージング材料の劣化が加速する可能性があります。短絡すると DC 側アーク障害が発生する可能性があります。 5MW の太陽光発電所の統計によると、ダイオードの故障はコンポーネントの故障の 18% を占め、その結果、年間 500,000 kWh 以上の発電量が損失します。
インバータレベルの影響: 整流ダイオードの短絡により、DC バス電圧が制御されなくなり、IGBT モジュールの爆発につながる可能性があります。開回路は入力電流の断続につながり、トランスのノイズや振動の原因となります。
2. エネルギー貯蔵システム
バッテリーバランスへの影響: バランス回路ダイオードの開回路は、バッテリーパック内の不整合を増大させ、サイクル寿命を短縮する可能性があります。ショートすると過充電・過放電の原因となります。あるエネルギー貯蔵発電所プロジェクトのバランシングダイオードの故障により、バッテリーパックの容量劣化率が3%/年から8%/年に増加しました。
DC/DC 変換への影響: 同期整流ダイオードの開回路は、効率が 10% 以上低下する可能性があります。短絡すると出力電圧のオーバーシュートが発生する可能性があります。
3. 電気自動車充電システム
充電モジュールへの影響: PFC 回路のダイオード短絡により、入力電流の歪み率が標準を超え、グリッド保護が作動する可能性があります。開回路は力率を 0.7 未満に低下させ、電力網から罰金を科せられます。
車の充電器の影響: 出力整流ダイオードの開回路により充電が中断されます。短絡によりバッテリーに過電圧が発生する可能性があります。ある車両のリコール事件では、出力ダイオードショートの危険性があり、2万台以上の車両がリコールされました。
4、故障診断と保護戦略
1. オンライン監視技術
電圧/電流監視: ホール センサーを介してダイオードの電圧と電流をリアルタイムで監視し、10% を超える異常な変動がある場合にアラームをトリガーします。
Infrared temperature measurement: Infrared thermal imager is used to monitor the surface temperature of the diode. When the junction temperature exceeds the limit (such as SiC diode>175 度）、自動的にシャットダウンします。
インピーダンス スペクトル解析: 高周波信号を注入してダイオードの等価直列抵抗を検出すると、インピーダンスは開回路では無限大に近づき、短絡回路ではゼロに近づきます。-
2. 冗長設計
並列冗長性: 重要な回路では複数のダイオードが並列に接続されており、単一の障害が発生してもシステムは引き続き動作できます。たとえば、特定の風力発電インバータでは 4 つの並列 SiC ダイオードが使用されており、1 つの開回路の後でもシステム効率は 2% しか低下しません。
バックアップ経路：逆流防止回路にダイオードと並列に機械式スイッチを設置し、ダイオードが故障した場合に自動的にスイッチ経路に切り替えます。
3. 材料とプロセスのアップグレード
耐湿パッケージ: セラミックまたは気密パッケージを使用して、二重 85 テスト (85 度 /85% RH/1000 時間) を通じて信頼性を検証します。
低応力はんだ付け: 鉛フリーはんだと弾性リードを使用して、振動試験（5～2000Hz/10g など）で疲労耐性を検証します。{0}
5、ケーススタディ: 洋上風力発電コンバータのダイオード障害
ある洋上風力発電プロジェクトは台風が多発する地域にあり、当初の設計では通常のシリコン ベースのダイオードが使用されていました。- 2 年間の使用後、振動により複数のダイオードのリード線が断線 (開回路) し、塩水噴霧腐食により 3 つのダイオードがショートしました。故障の原因：

エネルギー送電の中断: 12 台のインバータが停止し、インバータあたり 1 日あたり 50MWh 以上の発電量が失われます。
機器チェーンの損傷：短絡によるIGBTモジュールの爆発、修理費は200万元を超える。
システムの安定性の低下: 開回路により入力電流が断続的になり、トランスのノイズが 85dB (設計) に達します。<65dB).
改善計画には次のものが含まれます。

デバイスのアップグレード: SiC ダイオードとセラミック パッケージに置き換えます。
構造強化: 振動低減ブラケットと 3 つの耐衝撃コーティングを使用。
監視のアップグレード: 赤外線温度センサーと振動センサーを導入します。
改良後、このシステムは 3 年間、ダイオードの故障なく連続稼働しており、年間発電量は 12% 増加し、メンテナンスコストは 70% 削減されました。