다이오드 고장이 인버터에 미치는 영향은 무엇입니까?

一, 다이오드 고장의 종류와 물리적 메커니즘
다이오드 항복은 전기적 파괴와 열적 파괴의 두 가지 유형으로 나눌 수 있으며, 물리적 메커니즘은 재료 특성, 도핑 농도, 온도 및 기타 요인과 밀접한 관련이 있습니다.

1. 전기 파괴: 가역적인 물리적 과정
전기 항복에는 제너 항복과 애벌런치 항복이라는 두 가지 메커니즘이 있습니다.

제너 항복: 공핍층 폭이 매우 좁은 고농도로 도핑된 PN 접합(예: 전압 조정기)에서 발생합니다(<1 μ m). Under the action of reverse voltage, a strong electric field directly pulls out the valence electrons in covalent bonds, forming electron hole pairs, resulting in a sharp increase in reverse current. Zener breakdown voltage is usually below 4V and has a negative temperature coefficient (breakdown voltage decreases with increasing temperature).
Avalanche breakdown: commonly seen in low doped PN junctions, with a wide depletion layer (>10μm). 역전압은 소수 캐리어를 가속시켜 격자와 충돌하고 새로운 캐리어를 생성하게 하여 눈사태 연쇄 반응을 형성합니다. 눈사태 항복 전압은 일반적으로 6V보다 높으며 양의 온도 계수를 갖습니다(항복 전압은 온도에 따라 증가합니다).
전기 파괴는 본질적으로 가역적인 물리적 과정입니다.

2. 열파괴: 돌이킬 수 없는 치명적인 고장
전기적 고장 후에도 역전류가 계속 증가하거나 회로에서 무한 전류 측정을 수행하면 PN 접합의 전력 소비가 한계값을 초과하여 접합 온도가 급격히 상승합니다. 이 시점에서 공유 결합의 원자가 전자는 원자 제약에서 벗어날 수 있을 만큼 충분한 에너지를 얻어 많은 수의 자유 전자 정공 쌍을 형성하고 전류 성장을 더욱 악화시키며 포지티브 피드백 루프를 형성합니다. 결국 과열로 인해 PN 접합이 녹아 열 파괴라고 알려진 영구적인 단락 회로가 형성됩니다. 열 파괴는 되돌릴 수 없으며 다이오드는 기능을 완전히 상실합니다.

2, 다이오드 고장이 인버터에 직접적인 피해를 줍니다.
인버터의 다이오드는 주로 정류, 환류 및 클램핑에 사용되며 다이오드의 고장으로 인해 다양한 경로로 결함 전파가 발생할 수 있습니다.

1. 정류 다이오드 고장: 전원 단락 및 커패시터 폭발
광전지 인버터 또는 산업용 전원에서 정류기 브리지는 6개의 다이오드(3개의 공통 음극과 3개의 공통 양극)로 구성됩니다. 단일 다이오드가 열적으로 분해되어 단락을 형성하는 경우 DC 버스의 양극과 음극이 직접 전도되어 전원 단락이 발생합니다. 이때 과전류로 인해 필터링 콘덴서가 급격히 가열되어 전해액이 기화, 팽창하게 되어 폭발의 위험이 있습니다. 예를 들어, 특정 태양광 발전소에서는 정류기 다이오드의 고장으로 인해 DC 측 커패시터가 폭발하여 인버터 모듈 전체가 폐기되고 100,000위안 이상의 직접적인 경제적 손실이 발생했습니다.
2. 클램프 다이오드 항복: 버스 전압 제어 불능
다중-레벨 인버터에서는 DC 버스 전압 변동을 제한하기 위해 클램프 다이오드가 사용됩니다. 클램핑 다이오드가 파손되면 버스 전압이 IGBT 내전압 범위를 초과하여 체인 파손을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 중전압 주파수 변환기에서 클램프 다이오드의 고장이 발생하여 DC 버스 전압이 600V에서 900V로 급증하여 12개 IGBT 모듈 모두가 손상되고 시스템 종료 시간이 최대 72시간이 소요되었습니다.

3, 다이오드 고장의 시스템 수준 효과
1. 전자기 간섭(EMI) 및 신호 왜곡
다이오드가 파손되면 단락 전류의 급격한 변화로 인해 고주파- 전자기 간섭이 발생하며, 이는 기생 용량을 통해 제어 회로에 결합되어 IGBT 구동 신호의 왜곡을 유발합니다. 풍력 변환기의 경우 환류 다이오드 고장으로 인한 EMI 간섭으로 인해 IGBT 구동 신호의 10μs 펄스 손실이 발생하여 모터 토크가 20% 이상 변동하고 기계적 진동 경보가 발생했습니다.
2. 보호회로 오작동 및 시스템 마비
최신 인버터에는 일반적으로 과전류, 과전압 및 과열 보호 기능이 장착되어 있습니다. 그러나 다이오드 고장으로 인해 보호 회로를 잘못 판단할 수 있습니다.
과전류 보호 오작동: 단락 전류를 부하의 급격한 변화로 착각하여 전류 제한 보호를 트리거하고 시스템 경감 작동을 유발할 수 있습니다.
과전압 보호 실패: 클램프 다이오드가 고장나면 버스 전압 모니터링 포인트가 실패하고 과전압 보호가 활성화될 수 없습니다.
과열 보호 지연: 다이오드 항복 지점의 온도는 센서 모니터링 지점의 온도보다 높을 수 있으며, 이로 인해 과열 보호가 트리거되는 데 지연이 발생할 수 있습니다.
특정 철도의 트랙션 인버터의 경우 정류기 다이오드의 파손으로 인해 과전류 보호 오작동이 발생하여 시스템의 정격 저하가 자주 발생했습니다. 결국 열 축적으로 인해 IGBT 모듈이 폭발해 열차는 12시간 동안 운행이 중단됐다.
4, 보호 전략 및 신뢰성 설계
1. 회로 설계: 이중화 및 전류 제한
중복 설계: 정류기 브리지에는 "N+1" 중복 구성이 채택되었습니다. 이는 추가 다이오드가 병렬로 연결된다는 의미입니다. 단일 다이오드가 고장나더라도 시스템은 여전히 ​​감소된 용량으로 작동할 수 있습니다.
전류 제한 저항기: 다이오드 전체에 직렬로 작은 저항 저항기(예: 0.1Ω/5W)를 연결하여 피크 단락-회로 전류를 제한합니다.
RC 버퍼 회로: IGBT 다이오드 병렬 회로에 RC 버퍼 회로(예: C=0.1μF, R=10Ω)를 추가하여 턴오프 과전압을 흡수하고 다이오드의 역스트레스를 줄입니다.
2. 시스템 모니터링: 실시간-진단 및 예측 유지 관리
적외선 열화상 감지: 적외선 열화상 카메라를 통해 다이오드 쉘 온도를 실시간으로 모니터링하여 온도가 정격 값인 15도를 초과하면 경보를 울립니다.
전기적 매개변수 모니터링: 전류 센서(예: 홀 센서)를 통해 다이오드 전류를 실시간 모니터링하고 전류가 정격 값의 1.2배를 초과하면 보호 기능이 활성화됩니다.
AI 결함 예측: 과거 데이터를 기반으로 기계 학습 모델을 학습하여 다이오드의 남은 수명(RUL)을 예측하고 위험도가 높은 부품을 사전에 교체합니다-.