मल्टी-स्टेज इन्वर्टर सिस्टम में डायोड का वर्तमान अलगाव कैसे प्राप्त करें?

一, डायोड वर्तमान अलगाव का भौतिक आधार
डायोड की मुख्य अलगाव क्षमता पीएन जंक्शनों की यूनिडायरेक्शनल चालकता से आती है। जब आगे की ओर पक्षपात किया जाता है, तो पी क्षेत्र में छेद और एन क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन कम प्रतिरोध पथ बनाने के लिए फैल जाते हैं, और प्रतिरोध 0.1 Ω जितना कम हो सकता है; जब रिवर्स बायस्ड होता है, तो कमी परत की चौड़ाई बढ़ते वोल्टेज के साथ फैलती है, एक मेगाओम स्तर उच्च प्रतिबाधा अलगाव बनाती है और माइक्रोएम्पियर स्तर तक रिवर्स वर्तमान क्षमता को अवरुद्ध करती है। यह असममित प्रवाहकीय विशेषता इसे एक प्राकृतिक धारा अलगाव उपकरण बनाती है।

एक मल्टी{0}}स्टेज इन्वर्टर सिस्टम में, डायोड एक यूनिडायरेक्शनल करंट पथ का निर्माण करके इंटर स्टेज अलगाव प्राप्त करते हैं। उदाहरण के लिए, दो चरण वाले फोटोवोल्टिक इन्वर्टर में, फ्रंट एंड डीसी/डीसी कनवर्टर के आउटपुट पर समानांतर में जुड़ा आइसोलेशन डायोड, बैक एंड इन्वर्टर में खराबी के कारण होने वाले करंट बैकफ्लो को रोक सकता है और फ्रंट एंड पावर उपकरणों की सुरक्षा कर सकता है। प्रायोगिक डेटा से पता चलता है कि 1N4148 सिग्नल डायोड का उपयोग करते समय, रिवर्स लीकेज करंट 50V के रिवर्स वोल्टेज पर केवल 0.1 μ A होता है, और प्रभावी अलगाव 99.999% से अधिक होता है।

2, मल्टी-स्टेज इन्वर्टर सिस्टम में विशिष्ट अलगाव अनुप्रयोग
1. कैस्केड एच-ब्रिज इनवर्टर के लिए पावर पथ चयन
एक कैस्केड H{0}}ब्रिज STATCOM (स्टेटिक सिंक्रोनस कम्पेसाटर) में, प्रत्येक H{1}}ब्रिज इकाई एक डीसी साइड कैपेसिटर के माध्यम से समानांतर में जुड़ी हुई है। जब एक निश्चित इकाई में डीसी साइड कैपेसिटर शॉर्ट सर्किट गलती होती है, तो कैपेसिटर के दोनों सिरों के समानांतर जुड़े शोट्की डायोड (जैसे SB560, 0.5V के फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप के साथ) स्वचालित रूप से अन्य स्वस्थ इकाइयों में फॉल्ट करंट के प्रसार को रोक सकते हैं। सिमुलेशन से पता चलता है कि यह योजना सिस्टम को 0.1 एमएस के भीतर गलती अलगाव को पूरा करने में सक्षम बनाती है, जो प्रतिक्रिया गति में पारंपरिक रिले योजनाओं की तुलना में परिमाण के तीन क्रम तेज है।

2. मॉड्यूलर मल्टीलेवल कनवर्टर (एमएमसी) का उप मॉड्यूल अलगाव
एमएमसी सबमॉड्यूल आधे ब्रिज संरचना को अपनाता है। जब सबमॉड्यूल का कैपेसिटर वोल्टेज असंतुलित होता है, तो श्रृंखला से जुड़े फास्ट रिकवरी डायोड (जैसे RF306, 35ns का रिवर्स रिकवरी समय) कैपेसिटर ओवरचार्जिंग को रोक सकते हैं। जर्मनी में टेनेट के ± 500kV डीसी ट्रांसमिशन प्रोजेक्ट के आंकड़ों के अनुसार, इस योजना को अपनाने के बाद, सबमॉड्यूल कैपेसिटर वोल्टेज की उतार-चढ़ाव सीमा ± 15% से घटकर ± 3% हो गई, और सिस्टम दक्षता में 1.2 प्रतिशत अंक का सुधार हुआ।

3. फोटोवोल्टिक ग्रिड से जुड़े इनवर्टर के लिए अनावश्यक बिजली आपूर्ति डिजाइन
स्ट्रिंग फोटोवोल्टिक इनवर्टर में, डायोड या गेट सर्किट के माध्यम से पावर रिडंडेंसी प्राप्त करने के लिए कई एमपीपीटी (अधिकतम पावर प्वाइंट ट्रैकिंग) चैनलों का उपयोग किया जाता है। जब छाया अवरोध के कारण एक निश्चित चैनल की आउटपुट पावर कम हो जाती है, तो स्थिर आउटपुट पावर सुनिश्चित करने के लिए शोट्की डायोड (जैसे MBR2045CT, 0.32V के फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप के साथ) स्वचालित रूप से स्वस्थ चैनल पर स्विच हो जाता है। परीक्षणों से पता चला है कि यह योजना फोटोवोल्टिक सरणियों की बिजली उत्पादन को 8% -12% तक बढ़ा सकती है, विशेष रूप से आंशिक रूप से बाधित परिदृश्यों में जहां फायदे महत्वपूर्ण हैं।

3, इंजीनियरिंग अनुकूलन और प्रदर्शन सुधार रणनीतियाँ
1. कम हानि वाले डायोड का चयन
पारंपरिक सिलिकॉन डायोड का फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप (0.6-0.7V) उच्च वर्तमान अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण नुकसान का कारण बन सकता है। सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) शोट्की डायोड (जैसे C3D06060A, फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप) 1.3V@10A का उपयोग करके यह चालन हानि को 60% तक कम कर सकता है। 100kW फोटोवोल्टिक इन्वर्टर में, यह योजना डायोड हानि को 120W से घटाकर 48W कर देती है और सिस्टम दक्षता में 0.05 प्रतिशत अंक सुधार करती है।

2. रिवर्स रिकवरी सुविधा अनुकूलन
उच्च आवृत्ति स्विच अनुप्रयोगों में, डायोड का रिवर्स रिकवरी टाइम (टीआरआर) सीधे स्विच हानि को प्रभावित करता है। तेज़ रिकवरी डायोड (जैसे कि FR307, trr{3}}ns) का उपयोग सामान्य रेक्टिफायर (trr{5}}ns) की तुलना में IGBT स्विचिंग हानियों को 35% तक कम कर सकता है। इस योजना को अपनाने के बाद, सीमेंस सिरियस श्रृंखला इनवर्टर की पूर्ण लोड दक्षता 98.2% से बढ़कर 98.7% हो गई।

3. एकीकृत अलगाव समाधान
MOSFET (जैसे LM5050) पर आधारित आदर्श डायोड नियंत्रक सक्रिय नियंत्रण के माध्यम से शून्य रिवर्स रिकवरी समय प्राप्त करता है। टेस्ला के मेगापैक ऊर्जा भंडारण प्रणाली में, यह समाधान अंतर क्लस्टर अलगाव हानि को 2.5W से 0.3W तक कम कर देता है, और सिस्टम चक्र दक्षता में 0.2 प्रतिशत अंक सुधार करता है। साथ ही, पारंपरिक डायोड की तुलना में इसका 0.05V चालन वोल्टेज ड्रॉप 90% कम हो जाता है, जिससे ऊर्जा रूपांतरण दक्षता में काफी सुधार होता है।

4, सीमांत प्रौद्योगिकी रुझान
1. विस्तृत बैंडगैप अर्धचालक उपकरणों का अनुप्रयोग
Gallium nitride (GaN) diodes are gradually replacing silicon devices in high-end fields such as 5G base station power supplies and aerospace power supplies due to their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz). EPC कंपनी द्वारा लॉन्च किए गए EPC2054 GaN डायोड में 10A करंट पर केवल 0.2V का फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप होता है, जो SiC डिवाइस से 85% कम है।

2. बुद्धिमान अलगाव प्रौद्योगिकी का एकीकरण
डिजिटल नियंत्रण प्रौद्योगिकी के साथ संयुक्त बुद्धिमान डायोड मॉड्यूल गतिशील वोल्टेज ड्रॉप मुआवजा और गलती भविष्यवाणी प्राप्त कर सकता है। एबीबी कंपनी द्वारा लॉन्च किए गए इंटेलिजेंट आइसोलेशन डायोड की पावर ग्रिड श्रृंखला अंतर्निहित सेंसर के माध्यम से वास्तविक समय में जंक्शन तापमान और करंट जैसे मापदंडों की निगरानी करती है, और संभावित दोषों को 0.5 एमएस पहले ही सचेत कर देती है, जिससे विफलताओं (एमटीबीएफ) के बीच सिस्टम का औसत समय 200000 घंटे तक बढ़ जाता है।

5, इंजीनियरिंग अभ्यास में मुख्य विचार
1. पैरामीटर मिलान डिजाइन
डायोड के चयन के लिए फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप (वीएफ), रिवर्स रिकवरी टाइम (टीआरआर), अधिकतम रिवर्स वोल्टेज (वीआरआरएम), और रेटेड करंट (आईएफ) पर व्यापक विचार की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, 1500V फोटोवोल्टिक प्रणाली में, 1800V से अधिक या उसके बराबर VRRM वाले डायोड का चयन किया जाना चाहिए, और 30% वर्तमान मार्जिन आरक्षित किया जाना चाहिए।

2. थर्मल प्रबंधन अनुकूलन
उच्च शक्ति अनुप्रयोगों में, डायोड जंक्शन तापमान नियंत्रण महत्वपूर्ण है। थर्मल प्रवाहकीय सिलिकॉन ग्रीस (थर्मल प्रतिरोध 0.5 डिग्री / डब्ल्यू) और एल्यूमीनियम सब्सट्रेट (थर्मल प्रतिरोध 1 डिग्री / डब्ल्यू) का उपयोग करके समग्र गर्मी अपव्यय योजना 100 ए वर्तमान के तहत जंक्शन तापमान को 125 डिग्री से 85 डिग्री तक कम कर सकती है, जिससे डिवाइस का जीवन तीन गुना से अधिक बढ़ जाता है।

3. विद्युत चुम्बकीय संगतता डिजाइन
डायोड स्विच द्वारा उत्पन्न di/dt शोर को आरसी बफर सर्किट द्वारा दबाने की आवश्यकता होती है। 10kW इन्वर्टर में, 0.1 μF फिल्म कैपेसिटर और 10 Ω रेसिस्टर्स का उपयोग करने वाला एक बफर सर्किट, IEC 61000-4-5 विद्युत चुम्बकीय संगतता मानक को पूरा करते हुए, वोल्टेज ओवरशूट को 50V से 5V तक कम कर सकता है।

6, उद्योग अनुप्रयोग मामले
1. हुआवेई SUN2000-125KTL फोटोवोल्टिक इन्वर्टर
यह उत्पाद एक कैस्केड एच {{0} ब्रिज टोपोलॉजी को अपनाता है, जिसमें इंटर स्टेज करंट आइसोलेशन प्राप्त करने के लिए प्रत्येक एच - ब्रिज आउटपुट एक तेज रिकवरी डायोड (बीवाईवी29-1000, टीआरआर {{3%) एनएस) के समानांतर जुड़ा होता है। वास्तविक परीक्षण डेटा से पता चलता है कि आंशिक रूप से बाधित परिदृश्यों में, सिस्टम की बिजली उत्पादन पारंपरिक समाधानों की तुलना में 9.3% बढ़ जाती है, और यूरोप में दक्षता 98.8% तक पहुंच जाती है।

2. सीमेंस SICAM AIS ग्रिड स्टेबलाइजर
STATCOM अनुप्रयोगों में, सबमॉड्यूल स्विचिंग घाटे को 40% तक कम करने के लिए डिवाइस सिलिकॉन कार्बाइड डायोड मॉड्यूल (C4D20120D) का उपयोग करता है। जर्मन पावर ग्रिड के वास्तविक माप से पता चलता है कि सिस्टम प्रतिक्रिया समय 10 एमएस से घटाकर 3 एमएस कर दिया गया है, और गतिशील प्रतिक्रियाशील पावर समर्थन क्षमता तीन गुना बढ़ा दी गई है।