Quelles sont les conséquences d’un court-circuit ou d’un circuit ouvert de diode sur le système énergétique ?

一, Réaction en chaîne d'un défaut de court-circuit de diode
1. Mécanisme de court-circuit et conditions de déclenchement
Un court-circuit de diode est généralement causé par une panne de puce, une fissuration de l'emballage ou une mauvaise soudure. Dans des environnements à haute température et à forte humidité, l'absorption d'humidité et l'expansion des matériaux d'emballage peuvent provoquer la rupture de la couche de métallisation interne ; Dans les scénarios de surtension, les jonctions PN peuvent être conductrices de manière permanente en raison d'une rupture par avalanche. Par exemple, un projet d'onduleur photovoltaïque a connu un court-circuit en 10 ms en raison d'une surtension inverse de la diode provoquée par la foudre.

2. Impact au niveau du système
(1) Modification du chemin de transmission de l'énergie
Défaillance du circuit redresseur : dans un circuit redresseur en pont, si une diode est court-circuitée, cela provoquera une conduction directe entre les côtés AC et DC, conduisant à une saturation du transformateur ou de l'inductance. En raison d'un court-circuit dans la diode de redressement d'un certain projet de système de stockage d'énergie, le courant d'entrée a grimpé jusqu'à trois fois la valeur nominale et le transformateur a grillé en 5 secondes.
Court-circuit dans le circuit de roue libre : dans les circuits de commande de moteur ou de stockage d'énergie inductif, un court-circuit-dans la diode de roue libre peut endommager le chemin de retour d'énergie. Par exemple, dans un certain projet d'onduleur de véhicule électrique, en raison d'un court-circuit dans la diode de roue libre, la force contre-électromotrice du moteur a été directement appliquée au dispositif de puissance, provoquant l'explosion du module IGBT en 100 μs.
(2) Défaillance du mécanisme de protection
Défaillance de la protection anti-inversion : dans les systèmes DC, un court-circuit dans la diode anti-inversion peut causer des dommages directs à l'équipement lorsque la polarité de l'alimentation est inversée. Le projet UPS dans un certain centre de données a subi des pertes de plus de 500 000 yuans en raison d'un court-circuit-de la diode anti-retour, qui a provoqué la grille du module redresseur lors d'une mauvaise opération de maintenance.
Bypass de protection contre les surtensions : un court-circuit de la diode TVS lui fera perdre sa fonction de serrage et la surtension sera directement transmise au circuit suivant. En raison d'un court-circuit de diode TVS dans un certain projet de générateur photovoltaïque, la tension de sortie des composants a grimpé jusqu'à 1 000 V (600 V nominal), provoquant des pannes d'onduleur à grande échelle.
(3) Risque d'emballement thermique
Un court-circuit provoque une modification du trajet du courant, entraînant une augmentation significative de la densité de courant locale. Un test d'un projet de convertisseur d'énergie éolienne a montré qu'après un court-circuit d'une diode, la température de jonction des dispositifs électriques adjacents est passée de 85 degrés à 200 degrés en 2 secondes, provoquant un emballement thermique de la chaîne.

2, Risques systémiques liés aux défauts de circuit ouvert des diodes
1. Mécanisme de circuit ouvert et scénarios typiques
Un circuit ouvert est généralement causé par un effondrement de la soudure, une rupture de copeaux ou une rupture de fil. Dans les environnements vibratoires (tels que les véhicules électriques), la rupture par fatigue du plomb est une cause fréquente ; Dans des scénarios de températures élevées, l'inadéquation entre le coefficient de dilatation thermique de l'emballage et de la puce peut entraîner des fissures.

2. Impact au niveau du système
(1) Interruption du transport d'énergie
Perte de sortie de redressement : dans un circuit de redressement triphasé-, si une diode est en circuit ouvert, cela entraînera une augmentation de l'ondulation de la tension de sortie. Un certain projet d'alimentation électrique industrielle a provoqué une augmentation de l'ondulation de la tension de sortie de 5 % à 30 % en raison du circuit ouvert de la diode, entraînant un mauvais fonctionnement de l'équipement de charge.
Circuit de roue libre déconnecté : dans un circuit de stockage d'énergie inductif, une diode de roue libre ouverte peut empêcher l'énergie de l'inducteur d'être libérée nulle part, ce qui entraîne des pics de haute tension. Un certain projet de pilote de LED a connu une surtension de la tension d'inductance jusqu'à 800 V (400 V nominal) en raison d'un circuit ouvert dans la diode de roue libre, entraînant une panne du MOSFET.
(2) Perte de fonction de protection
Défaillance de la protection contre les surintensités : dans un groupe de diodes parallèles, si l'une des diodes est ouverte, les diodes restantes doivent supporter un courant plus important. Un certain projet de circuit d'équilibrage de batterie de stockage d'énergie a provoqué une surcharge et un grillage d'autres diodes en raison d'un circuit ouvert d'une diode, entraînant une surcharge du bloc de batterie.
Défaillance de la fonction d'isolation : Dans la protection du niveau du module photovoltaïque, un circuit ouvert dans la diode de dérivation peut exacerber l'effet de point chaud. En raison du circuit ouvert de la diode de dérivation dans un certain projet de centrale photovoltaïque, la température d'un certain composant a augmenté jusqu'à 150 degrés sous l'ombre d'une obstruction, provoquant un bris de verre.
(3) La stabilité du système diminue
Un circuit ouvert peut provoquer des changements dans la topologie du circuit, pouvant entraîner une résonance ou une oscillation. Un certain projet de module de recharge de véhicule électrique a connu un circuit ouvert de diode, provoquant un désaccord du circuit résonant LLC et une fluctuation de la tension de sortie de plus de ± 15 %, déclenchant un arrêt de protection.

3, Conséquences des défauts dans les systèmes énergétiques typiques
1. Système de production d’énergie photovoltaïque
Impact au niveau du composant : un circuit ouvert dans la diode de dérivation peut entraîner un dépassement de la température du point thermique du composant lorsqu'il est partiellement obstrué, accélérant ainsi le vieillissement du matériau d'emballage ; Un court-circuit peut provoquer un défaut d'arc côté CC. Selon les statistiques d'une centrale photovoltaïque de 5 MW, les pannes de diodes représentent 18 % des pannes de composants, entraînant une perte annuelle de plus de 500 000 kWh de production d'électricité.
Impact au niveau de l'onduleur : un court-circuit de la diode de redressement peut provoquer une tension de bus CC incontrôlée, conduisant à l'explosion du module IGBT ; Un circuit ouvert conduit à un courant d'entrée intermittent, provoquant du bruit et des vibrations du transformateur.
2. Système de stockage d'énergie
Impact sur l'équilibrage de la batterie : un circuit ouvert dans la diode du circuit d'équilibrage peut entraîner une incohérence accrue dans la batterie et raccourcir la durée de vie ; Un court-circuit peut provoquer une surcharge/décharge excessive. En raison d'un défaut dans la diode d'équilibrage d'un certain projet de centrale de stockage d'énergie, le taux de dégradation de la capacité de la batterie est passé de 3 %/an à 8 %/an.
Impact de la conversion DC/DC : un circuit ouvert de diode de redressement synchrone peut entraîner une diminution de l'efficacité de plus de 10 % ; Un court-circuit peut provoquer un dépassement de la tension de sortie.
3. Système de recharge pour véhicules électriques
Impact du module de charge : un court-circuit de la diode du circuit PFC peut provoquer un taux de distorsion du courant d'entrée dépassant la norme, déclenchant ainsi la protection du réseau ; Un circuit ouvert fera chuter le facteur de puissance en dessous de 0,7 et entraînera une amende du réseau électrique.
Impact du chargeur de voiture : un circuit ouvert de la diode du redresseur de sortie entraînera une interruption de la charge ; Un court-circuit peut provoquer une surtension dans la batterie. Lors d'un certain incident de rappel de véhicules, plus de 20 000 véhicules ont été rappelés en raison du risque de court-circuit de la diode de sortie.
4, stratégie de diagnostic des défauts et de protection
1. Technologie de surveillance en ligne
Surveillance de tension/courant : surveillance en temps réel de la tension et du courant aux bornes de la diode via des capteurs à effet Hall, déclenchant une alarme en cas de fluctuation anormale supérieure à 10 %.
Infrared temperature measurement: Infrared thermal imager is used to monitor the surface temperature of the diode. When the junction temperature exceeds the limit (such as SiC diode>175 degrés), il s'éteindra automatiquement.
Analyse du spectre d'impédance : en injectant des signaux à haute fréquence-pour détecter la résistance série équivalente des diodes, l'impédance se rapproche de l'infini en circuit ouvert et de zéro en court-circuit.
2. Conception redondante
Redondance parallèle : plusieurs diodes sont connectées en parallèle dans les circuits critiques et le système peut toujours fonctionner en cas de défaut unique. Par exemple, un certain onduleur éolien utilise 4 diodes SiC parallèles, et le rendement du système ne diminue que de 2 % après un seul circuit ouvert.
Chemin de secours : installez un interrupteur mécanique en parallèle avec une diode dans le circuit anti-retour et passez automatiquement au chemin du commutateur en cas de panne de la diode.
3. Améliorations des matériaux et des processus
Emballage résistant à l'humidité : un emballage en céramique ou hermétique est utilisé pour vérifier la fiabilité grâce à des tests doubles 85 (85 degrés/85 % RH/1 000 h).
Soudure à faible contrainte : utilisez une soudure sans plomb et des fils élastiques pour vérifier la résistance à la fatigue grâce à des tests de vibration (tels que 5 - 2 000 Hz/10 g).
5, Étude de cas : Défaut de diode dans un convertisseur d'énergie éolienne offshore
Un certain projet d'énergie éolienne offshore est situé dans une zone sujette aux typhons et la conception originale utilisait des diodes ordinaires à base de silicium-. Après 2 ans de fonctionnement, plusieurs fils de diodes ont été cassés (circuit ouvert) en raison de vibrations, et 3 diodes ont été court-circuitées en raison de la corrosion par brouillard salin. Dysfonctionnement provoquant :

Interruption du transport d'énergie : 12 onduleurs arrêtés, entraînant une perte quotidienne de plus de 50 MWh de production d'électricité par onduleur ;
Dommages à la chaîne de l'équipement : explosion du module IGBT causée par un court-circuit, le coût de réparation dépasse 2 millions de yuans ;
Dégradation de la stabilité du système : un circuit ouvert entraîne un courant d'entrée intermittent et le bruit du transformateur atteint 85 dB (conception<65dB).
Le plan d'amélioration comprend :

Mise à niveau de l'appareil : remplacement par des diodes SiC et un emballage en céramique ;
Renforcement structurel : utilisation de supports de réduction des vibrations et de trois revêtements résistants ;
Mise à niveau de la surveillance : déployez des capteurs infrarouges de température et de vibration.
Après amélioration, le système fonctionne en continu depuis 3 ans sans aucune panne de diode, avec une augmentation annuelle de la production d'électricité de 12 % et une réduction des coûts de maintenance de 70 %.