Як працюють діоди в системах зворотного зв'язку по енергії?

一, Технічні характеристики діодів: фізична основа енергетичного зворотного зв’язку
Діод – це структура PN-переходу, утворена напівпровідниками типу P- і напівпровідниками типу N-, і його основні характеристики включають:

Односпрямована провідність: проводить при прямому зміщенні (з напругою провідності приблизно 0,6-0,7 В для кремнієвих транзисторів і 0,2-0,5 В для діодів Шотткі), і вимикається при зворотному зміщенні (з наявністю лише мікроамперного рівня зворотного струму витоку).
Можливість швидкого перемикання: час зворотного відновлення діодів Шотткі близький до нуля, а час зворотного відновлення діодів з карбіду кремнію (SiC) можна скоротити до менш ніж 10 наносекунд.
Характеристики опору напруги та струму: діоди промислового класу можуть витримувати тисячі вольт і мати перехідний струмовий опір, що перевищує сотні ампер.
Ці характеристики дозволяють йому виконувати три основні функції в системах зворотного зв’язку по енергії:

Випрямлення: початковий процес перетворення змінного струму в постійний для досягнення енергетичного зворотного зв'язку;
Безперервний струм: у ланцюгах приводу двигуна або інвертора він забезпечує шлях струму для індуктивних навантажень, щоб запобігти стрибкам напруги;
Захист: Ізолюйте зворотну напругу, щоб запобігти впливу на обладнання сторони живлення під час процесу зворотного зв’язку по енергії.
2. Типові сценарії застосування: від нових енергетичних транспортних засобів до промислових накопичувачів енергії
1. Нова система рекуперації енергії гальмування автомобіля
Під час процесу гальмування електромобілів двигун втулки колеса перемикається з режиму руху в режим генерації, виробляючи три-фазний змінний струм. У цей момент діодний випрямний міст (зазвичай складається з 6 діодів) перетворює потужність змінного струму в потужність постійного струму, яка потім посилюється інвертором і заряджається в батарею. Логіка роботи така:

Energy management strategy: The brake controller dynamically adjusts the recovery intensity based on the battery SOC (remaining charge). When SOC>80%, скасувати відновлення енергії; Коли SOC<70%, full power recovery occurs.
Вимоги до вибору діода: використовуйте діоди Шотткі або SiC з низьким падінням прямої напруги, щоб зменшити втрати провідності. Наприклад, після використання SiC діодів Шотткі в певній моделі автомобіля ефективність відновлення гальмування зросла на 3%, а запас ходу збільшився на 5 кілометрів.
Конструкція управління температурою: за умов сильного струму упаковка діода повинна мати структуру TO-247 або DFN8 × 8 із низьким тепловим опором у поєднанні з рідинною системою охолодження, щоб забезпечити температуру з’єднання менше або дорівнює 150 градусам.
2. Блок зворотного зв'язку по енергії промислових перетворювачів частоти
Під час фази уповільнення такого обладнання, як ліфти та крани, двигун знаходиться в стані генерації, а вироблена електрична енергія подається назад на конденсатор шини постійного струму через діодний випрямний міст. Якщо є надлишок енергії, комбінація IGBT і діода в IPM (Intelligent Power Module) використовується для перетворення постійного струму на змінний і подачі його назад в мережу. Серед його технологічних переваг:

Ефективне випрямлення: за допомогою діодів зі швидким відновленням (FRD) або SiC діодів час зворотного відновлення скорочується до 1/10 традиційних кремнієвих трубок, а втрати при перемиканні зменшуються на 70%.
Керування синхронізацією мережі: за допомогою технології фазового-підстроюваного циклу (ФАПЧ) струм зворотного зв’язку та напруга мережі синхронізуються за частотою та фазою з коефіцієнтом потужності, що перевищує або дорівнює 0,99.
Механізм захисту: діод TVS (придушення перехідної напруги) фіксує стрибки напруги, щоб запобігти пошкодженню обладнання, спричиненому ударами блискавки або перенапругою.
3. Двонаправлений перетворювач для енергоакумулюючої електростанції
У сценарії зменшення пікового навантаження в електромережі система накопичення енергії досягає перемикання розряду заряду за допомогою двонаправлених перетворювачів DC/DC. У цьому процесі діод відіграє подвійну роль:

Режим заряджання: як компонент випрямляча, він перетворює напругу змінного струму на напругу постійного струму та зберігає її в акумуляторі;
Режим розряду: як діод вільного ходу, він забезпечує шлях струму для схеми інвертора, щоб забезпечити плавний вихід енергії.
Візьмемо як приклад 20-футову систему зберігання енергії в контейнері, її BMS (система керування батареями) використовує 1600-1800 TVS і діоди Шотткі для балансування батареї, захисту від перенапруги та антиреверсного підключення. Після використання діодів Шотткі Trench ефективність системи зросла на 0,4%, а річна економія електроенергії однієї коробки перевищила 1000 кВт·год.