Hur använder man dioder för att uppnå enkelriktad energiöverföring i mikronät?

1, Den fysiska grunden för diodernas enkelriktade konduktivitet
Kärnstrukturen i en diod är en PN-övergång, bildad av kombinationen av en halvledare av P-typ (med hög hålkoncentration) och en halvledare av N-typ (med hög elektronkoncentration). Vid PN-övergångsgränssnittet diffunderar elektroner från N-regionen till P-regionen och hål diffunderar från P-regionen till N-regionen, vilket gör att P-regionen blir negativt laddad nära korsningen och N-regionen blir positivt laddad nära korsningen, vilket bildar ett internt elektriskt fält (rymdladdningsområdet). Detta elektriska fält har två nyckelegenskaper:

Positiv ledning: När P-området är anslutet till den positiva polen på strömförsörjningen och N-området är anslutet till den negativa polen, försvagar det externa elektriska fältet det inbyggda-elektriska fältet, rymdladdningsområdet smalnar av och de flesta bärare (elektroner och hål) kan passera korsningsområdet för att bilda en ström, vilket resulterar i ett lågt resistanstillstånd för dioden.
Omvänd cutoff: När P-området är anslutet till den negativa elektroden och N-området är anslutet till den positiva elektroden, förstärker det externa elektriska fältet det inbyggda-elektriska fältet, rymdladdningsområdet vidgas, de flesta laddningsbärare blockeras och endast ett fåtal laddningsbärare bildar en liten omvänd ström (läckström), vilket resulterar i ett högt motståndstillstånd för dioden.
Denna egenskap gör dioder till en idealisk komponent för att uppnå enkelriktat energiflöde. Om man tar kiseldioder som ett exempel är deras framåtledningsspänningsfall cirka 0,6-0,7V, och deras omvända genombrottsspänning kan nå flera hundra volt, vilket kan uppfylla isoleringskraven för lågspänning DC (som 48V) till mellanspänning DC (som 400V) i mikronät.

2, Kärnkravet för enkelriktad energiöverföring i mikronät
Energiflödet i mikronät har egenskaperna hos flera-källor, dubbelriktat och dynamiskt, och dess energihantering måste ta itu med tre kärnfrågor:

Isolering mellan kraftkällor: för att förhindra att olika kraftkällor (som solceller, energilagring, dieselgeneratorer) påverkar varandra på grund av spänningsfluktuationer eller fel.
Energiåterkopplingskontroll: För att förhindra energi från att flöda tillbaka till det svaga nätet och orsaka spänningsökning under motorbromsning eller övergenerering av solceller.
Snabb felisolering: När en strömförsörjning eller last upplever en kortslutning avbryts felvägen för att förhindra att felet sprider sig.
Traditionella lösningar förlitar sig på kontaktorer eller strömbrytare, men lider av långsamma svarstider (i millisekunder), mekaniskt slitage och andra problem. Dioden har med sin nanosekundsvarshastighet och inga mekaniska kontaktegenskaper blivit en nyckelkomponent för att uppnå snabb och pålitlig energiisolering.

3, Typiska tillämpningsscenarier för dioder i mikronät
(1) Enkelriktad överföring av DC-bussenergi
I DC-mikronät används dioder vanligtvis för att konstruera enkelriktade ledande länkar, vilket möjliggör kontroll av energiflödet mellan samlingsskenor med olika spänningsnivåer. Till exempel:

Fotovoltaiskt energilagringssystem: Den fotovoltaiska arrayen förser 48V DC-bussen med ström genom dioder, och energilagringsbatteriet är anslutet till samma buss via en DC/DC-omvandlare. När den fotovoltaiska uteffekten överstiger belastningsbehovet, förhindrar dioden energi från att flöda tillbaka in i solcellspanelen, vilket undviker skador på panelen på grund av omvänd förspänningsuppvärmning; Samtidigt absorberar energilagringssystemet överskottsenergi genom dubbelriktade DC/DC-omvandlare.
Parallellkoppling av flera strömkällor: I ett komplementärt mikronät för lagring av vindsolenergi är olika strömkällor anslutna parallellt med DC-bussen genom dioder. När en strömförsörjning stängs av på grund av ett fel, bryter dioden automatiskt sin anslutning till bussen för att förhindra att felspänningen påverkar andra strömkällor.
(2) Energiåterkopplingsdämpning på kommunikationssidan
I kommunikationsmikronätet kan kombinationen av dioder med tyristorer eller IGBT:er konstruera energiåterkopplingsundertryckningskretsar. Till exempel:

Motordrivsystem: När motorn är i bromsande tillstånd matas den regenererade energin tillbaka till DC-bussen genom omvända parallella dioder. Om bussspänningen är för hög kopplas dioden i serie med bromsmotståndet för att omvandla överskottsenergi till termisk energiförbrukning, vilket förhindrar överspänning av DC-bussen.
Distributed generation nätanslutning: Vid utgångsänden av växelriktaren kan dioder förhindra energi från att flöda tillbaka in i växelriktaren i händelse av nätfel (som spänningsstötar), vilket skyddar kraftenheter från överströmsskador.
(3) Snabb felisolering och skydd
Dioder har unika fördelar i mikronätsfelskydd. Till exempel:

DC-kortslutningsskydd-: I ett DC-mikronät, om en kortslutning uppstår i en gren, kommer kortslutningsströmmen att bilda en lågimpedanskrets genom en diod. Vid denna tidpunkt kan den snabba säkringen eller strömbrytaren upptäcka överströmssignalen och skära av den felaktiga grenen, medan dioden kan förhindra kortslutningsströmmen från att flöda tillbaka till andra friska grenar.
Jordfelsisolering: I IT-jordsystem kan dioder användas för att konstruera isolationsövervakningskretsar. När ett jordningsfel uppstår i en viss fas leder dioden för att bilda en liten ström, och övervakningsanordningen lokaliserar felpunkten genom att detektera denna ström. Samtidigt begränsar dioden amplituden på felströmmen för att förhindra skador på utrustningen.
4, Nyckeltekniska punkter i ingenjörspraktik
(1) Diodval och parametermatchning
I mikronätapplikationer bör valet av dioder ta hänsyn till följande parametrar:

Märkspänning: Den bör vara större än systemets maximala driftspänning och lämna en marginal på 20 % -50 %. Till exempel, i en 400V DC-buss, bör dioder med en motståndsspänning på 600V eller högre väljas.
Märkström: Den måste väljas baserat på maximal belastningsström och överbelastningskapacitet. Till exempel, i ett fotovoltaiskt system, bör diodens märkström vara större än kortslutningsströmmen för fotovoltaiken.
Omvänd återställningstid: I hög-växlingsapplikationer (som PWM-modulering), snabba återställningsdioder med kort omvänd återhämtningstid (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Termiskt motstånd och värmeavledning: Diodens kopplingstemperatur bör kontrolleras under 150 grader, och lämplig värmeavledningsmetod (som naturlig kylning, luftkylning eller vätskekylning) bör väljas efter strömförbrukning.
(2) Systemtopologioptimering
Topologistrukturen för dioder i mikronät måste utformas enligt specifika krav. Till exempel:

Seriediod: används för att förbättra motståndsspänningsnivån, men uppmärksamhet bör ägnas åt spänningsutjämning för att förhindra överspänningsavbrott hos en diod på grund av ojämn spänningsfördelning.
Parallelldiod: används för att förbättra strömkapaciteten, men uppmärksamhet bör ägnas åt strömdelning för att förhindra överhettning och skada på en diod på grund av ojämn strömfördelning.
Diod MOSFET/IGBT hybridtopologi: I scenarier där dubbelriktat energiflöde krävs kan en hybridtopologi av diod och MOSFET/IGBT användas. Till exempel, i dubbelriktade DC/DC-omvandlare, används dioder för enkelriktad ledning och MOSFET används för omvänd ledning, vilket uppnår dubbelriktad flödeskontroll av energi.
(3) Strategi för kollaborativ kontroll
Energihanteringen av dioder i mikronät behöver samordnas med styrstrategier. Till exempel:

Energihanteringsalgoritm baserad på dioder: Genom att övervaka DC-bussspänningen och uteffekten från olika strömkällor, dynamiskt justera diodernas ledningstillstånd för att uppnå optimal energiallokering.
Felskyddsstrategi: Designa snabba och pålitliga feldetekterings- och isoleringsalgoritmer baserade på diodernas ledningsegenskaper. Till exempel, när en onormal ström detekteras i en viss gren, stängs dioden i den grenen omedelbart av för att förhindra att felet sprider sig.
5, Fallstudie: Applicering av dioder i ö-mikronät
Mikronätprojektet på en viss ö antar en DC-bussarkitektur, som integrerar solceller, energilagring, dieselgeneratorer och laster. Energihushållningsplanen är som följer:

Solcellssystem: Solcellspanelen förser 48V DC-bussen med ström genom dioder, som förhindrar energi från att flöda tillbaka in i solcellspanelen på natten eller vid fel.
Energilagringssystem: Litiumbatterier är anslutna till bussen genom en dubbelriktad DC/DC-omvandlare för att uppnå kontroll av energiladdning och urladdning.
Dieselgenerator: Som reservkraftkälla är den ansluten till samlingsskenan genom dioder för att förhindra energiåterflöde från samlingsskenan när generatorn stängs av.
Lasthantering: DC-laster är direkt anslutna till bussen, medan AC-laster är anslutna via en växelriktare. Växelriktarens utgång är försedd med dioder för att förhindra energi från att flöda tillbaka in i växelriktaren vid nätfel.
Detta schema uppnår säker isolering och enkelriktat energiflöde mellan solceller, energilagring och dieselgeneratorer genom dioder, vilket förbättrar systemets effektivitet till 92 % och förkortar felsvarstiden till inom 10 μs.