Comment utiliser des diodes pour réaliser une transmission d’énergie unidirectionnelle dans les micro-réseaux ?

1, La base physique de la conductivité unidirectionnelle des diodes
La structure centrale d'une diode est une jonction PN, formée par la combinaison d'un semi-conducteur de type P- (à forte concentration de trous) et d'un semi-conducteur de type N- (à forte concentration d'électrons). À l'interface de la jonction PN, les électrons diffusent de la région N vers la région P et les trous diffusent de la région P vers la région N, provoquant une charge négative de la région P près de la jonction et une charge positive de la région N près de la jonction, formant un champ électrique interne (région de charge d'espace). Ce champ électrique a deux caractéristiques clés :

Conduction positive : lorsque la région P est connectée au pôle positif de l'alimentation et que la région N est connectée au pôle négatif, le champ électrique externe affaiblit le champ électrique intégré-, la région de charge d'espace se rétrécit et la plupart des porteurs (électrons et trous) peuvent traverser la région de jonction pour former un courant, ce qui entraîne un état de faible résistance de la diode.
Coupure inverse : lorsque la région P est connectée à l'électrode négative et la région N à l'électrode positive, le champ électrique externe améliore le champ électrique intégré -, la région de charge d'espace s'élargit, la plupart des porteurs de charge sont bloqués et seuls quelques porteurs de charge forment un petit courant inverse (courant de fuite), ce qui entraîne un état de résistance élevée de la diode.
Cette caractéristique fait des diodes un composant idéal pour obtenir un flux d'énergie unidirectionnel. En prenant les diodes au silicium comme exemple, leur chute de tension de conduction directe est d'environ 0,6 à 0,7 V et leur tension de claquage inverse peut atteindre plusieurs centaines de volts, ce qui peut répondre aux exigences d'isolation du courant continu basse tension (comme 48 V) à moyenne tension CC (comme 400 V) dans les micro-réseaux.

2, L’exigence fondamentale de la transmission d’énergie unidirectionnelle dans les micro-réseaux
Le flux d'énergie des micro-réseaux présente les caractéristiques d'être multi-sources, bidirectionnel et dynamique, et sa gestion de l'énergie doit répondre à trois problèmes fondamentaux :

Isolation entre les sources d'énergie : pour éviter que différentes sources d'énergie (telles que le photovoltaïque, le stockage d'énergie, les générateurs diesel) ne s'influencent mutuellement en raison de fluctuations de tension ou de défauts.
Contrôle du retour d'énergie : pour empêcher l'énergie de refluer dans le réseau faible et de provoquer une augmentation de la tension lors du freinage du moteur ou de la surgénération photovoltaïque.
Isolation rapide des défauts : lorsqu'une alimentation ou une charge subit un court-circuit, le chemin du défaut est coupé pour empêcher le défaut de se propager.
Les solutions traditionnelles reposent sur des contacteurs ou des disjoncteurs, mais souffrent de temps de réponse lents (en millisecondes), d'une usure mécanique et d'autres problèmes. La diode, avec sa vitesse de réponse nanoseconde et son absence de caractéristiques de contact mécanique, est devenue un élément clé pour obtenir une isolation énergétique rapide et fiable.

3, Scénarios d'application typiques des diodes dans les micro-réseaux
(1) Transmission unidirectionnelle de l'énergie du bus CC
Dans les micro-réseaux CC, les diodes sont couramment utilisées pour construire des liaisons conductrices unidirectionnelles, permettant le contrôle du flux d'énergie entre des jeux de barres de différents niveaux de tension. Par exemple:

Système de stockage d'énergie photovoltaïque : le générateur photovoltaïque alimente le bus 48 V CC via des diodes, et la batterie de stockage d'énergie est connectée au même bus via un convertisseur DC/DC. Lorsque la puissance de sortie photovoltaïque dépasse la demande de charge, la diode empêche l'énergie de refluer dans le panneau photovoltaïque, évitant ainsi les dommages au panneau dus au chauffage par polarisation inverse ; Pendant ce temps, le système de stockage d’énergie absorbe l’excès d’énergie grâce à des convertisseurs DC/DC bidirectionnels.
Connexion parallèle de plusieurs sources d'énergie : dans un micro-réseau complémentaire de stockage d'énergie solaire et éolienne, différentes sources d'énergie sont connectées en parallèle au bus CC via des diodes. Lorsqu'une alimentation électrique s'arrête en raison d'un défaut, la diode coupe automatiquement sa connexion au bus pour éviter que la tension de défaut n'affecte d'autres sources d'alimentation.
(2) Suppression du retour d'énergie du côté communication
Dans le micro-réseau de communication, la combinaison de diodes avec des thyristors ou des IGBT peut construire des circuits de suppression de rétroaction d'énergie. Par exemple:

Système d'entraînement du moteur : lorsque le moteur est en état de freinage, l'énergie régénérée est renvoyée au bus CC via des diodes parallèles inversées. Si la tension du bus est trop élevée, la diode est connectée en série avec la résistance de freinage pour convertir l'énergie excédentaire en consommation d'énergie thermique, évitant ainsi une surtension du bus DC.
Connexion au réseau de production distribuée : à l'extrémité de sortie de l'onduleur, des diodes peuvent empêcher l'énergie de refluer dans l'onduleur en cas de défauts du réseau (tels que des surtensions), protégeant ainsi les appareils électriques contre les dommages causés par les surintensités.
(3) Isolation et protection rapides des défauts
Les diodes présentent des avantages uniques en matière de protection contre les pannes des micro-réseaux. Par exemple:

Protection contre les courts-circuits CC- : dans un micro-réseau CC, si un court-circuit se produit dans une branche, le courant de court-circuit formera un circuit à faible impédance à travers une diode. À ce stade, le fusible rapide ou le disjoncteur peut détecter le signal de surintensité et couper la branche défectueuse, tandis que la diode peut empêcher le courant de court-circuit de revenir vers d'autres branches saines.
Isolation des défauts de mise à la terre : dans les systèmes de mise à la terre informatiques, les diodes peuvent être utilisées pour construire des circuits de surveillance d'isolement. Lorsqu'un défaut de mise à la terre se produit dans une certaine phase, la diode conduit pour former un petit courant et le dispositif de surveillance localise le point de défaut en détectant ce courant. Dans le même temps, la diode limite l'amplitude du courant de défaut pour éviter d'endommager l'équipement.
4, Points techniques clés dans la pratique de l'ingénierie
(1) Sélection de diodes et correspondance des paramètres
Dans les applications de micro-réseaux, la sélection des diodes doit prendre en compte les paramètres suivants :

Tension nominale : elle doit être supérieure à la tension de fonctionnement maximale du système et laisser une marge de 20 % à 50 %. Par exemple, dans un bus 400 V CC, des diodes avec une tension de tenue de 600 V ou plus doivent être sélectionnées.
Courant nominal : il doit être sélectionné en fonction du courant de charge maximal et de la capacité de surcharge. Par exemple, dans un système photovoltaïque, le courant nominal de la diode doit être supérieur au courant de court-circuit-du champ photovoltaïque.
Temps de récupération inverse : dans les applications de commutation-haute fréquence (telles que la modulation PWM), des diodes de récupération rapide avec un temps de récupération inverse court (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Résistance thermique et dissipation thermique : la température de jonction de la diode doit être contrôlée en dessous de 150 degrés et la méthode de dissipation thermique appropriée (telle que le refroidissement naturel, le refroidissement par air ou le refroidissement liquide) doit être sélectionnée en fonction de la consommation d'énergie.
(2) Optimisation de la topologie du système
La structure topologique des diodes dans les micro-réseaux doit être conçue en fonction d'exigences spécifiques. Par exemple:

Diode série : utilisée pour améliorer le niveau de tension de tenue, mais il convient de prêter attention à l'égalisation de la tension pour éviter une surtension d'une diode due à une distribution inégale de la tension.
Diode parallèle : utilisée pour améliorer la capacité de transport de courant, mais il convient de prêter attention au partage du courant pour éviter la surchauffe et l'endommagement d'une diode en raison d'une répartition inégale du courant.
Topologie hybride diode MOSFET/IGBT : dans les scénarios où un flux d'énergie bidirectionnel est requis, une topologie hybride de diode et MOSFET/IGBT peut être utilisée. Par exemple, dans les convertisseurs DC/DC bidirectionnels, les diodes sont utilisées pour la conduction unidirectionnelle et les MOSFET pour la conduction inverse, permettant ainsi un contrôle bidirectionnel du flux d'énergie.
(3) Stratégie de contrôle collaboratif
La gestion énergétique des diodes dans les micro-réseaux doit être coordonnée avec des stratégies de contrôle. Par exemple:

Algorithme de gestion de l'énergie basé sur des diodes : en surveillant la tension du bus CC et la puissance de sortie de diverses sources d'alimentation, en ajustant dynamiquement l'état de conduction des diodes pour obtenir une allocation d'énergie optimale.
Stratégie de protection contre les défauts : concevez des algorithmes de détection et d'isolation des défauts rapides et fiables basés sur les caractéristiques de conduction des diodes. Par exemple, lorsqu'un courant anormal est détecté dans une certaine branche, la diode de cette branche est immédiatement coupée pour éviter que le défaut ne se propage.
5, Étude de cas : Application des diodes dans les micro-réseaux insulaires
Le projet de micro-réseau sur une certaine île adopte une architecture de bus CC, intégrant le photovoltaïque, le stockage d'énergie, les générateurs diesel et les charges. Le plan de gestion de l’énergie est le suivant :

Système photovoltaïque : Le générateur photovoltaïque alimente le bus 48 V CC via des diodes, qui empêchent l'énergie de refluer dans le panneau photovoltaïque la nuit ou en cas de panne.
Système de stockage d'énergie : les batteries au lithium sont connectées au bus via un convertisseur DC/DC bidirectionnel pour obtenir un contrôle de charge et de décharge d'énergie.
Générateur diesel : en tant que source d'alimentation de secours, il est connecté au jeu de barres via des diodes pour empêcher le reflux d'énergie du jeu de barres lorsque le générateur est arrêté.
Gestion de charge : les charges CC sont directement connectées au bus, tandis que les charges CA sont connectées via un onduleur. La borne de sortie de l'onduleur est équipée de diodes pour empêcher l'énergie de refluer vers l'onduleur en cas de panne du réseau.
Ce système permet d'obtenir une isolation sûre et un flux d'énergie unidirectionnel entre les générateurs photovoltaïques, de stockage d'énergie et diesel via des diodes, améliorant ainsi l'efficacité du système à 92 % et réduisant le temps de réponse aux pannes à moins de 10 μs.