הסביבה הגבוהה של Power Electronics ב Renewables

חוות פוטו-וולטאיות, טורבינות רוח ומערכות אחסון סוללות הן עמוד השדרה של רשת האנרגיה המודרנית.מעקב אחר מכשירים משתנים ונכסי אחסון אלה דורש ממירים אלקטרוניים מתוחכמות יותר של חשמל, מכשירים אלה מטפלים בהמרות אנרגיה, מעקב אחר נקודת כוח מקסימלי, סינכרוניזציה רשת, ופגיעה בצמיחה של סביבות יעילות מאוד, אלקטרוניקה מזוהה באופן עקבי כמערכת תת-הכשלהמתה ביותר בצמחים מתחדשים.

סביבת המבצע: אפשרות מוחשית עבור Semiconductors

מערכות אנרגיה מתחדשת כופות שילוב ייחודי של מתחים חשמליים, תרמיים וסביבתיים על אלקטרוניקה כוחית.בניגוד לדחפים תעשייתיים מבוקרים, הממירים האלה חייבים להתמודד עם כוח קלט משתנה מאוד, תנאים חיצוניים קשים, ודורשים דרישות חיבור לרשת.

לחץ כבד ועוצמה

האופי לסירוגין של קרינת השמש ומהירות הרוח גורם רכיבה רציפה על חשמל.כל שינוי בכוח התפוקה מוביל לשינוי מתאים בטמפרטורת הצומת בתוך מודולי הכוח.מחזור קבוע סטנדרטי עבור מופנים סולאריים, בשילוב עם שינויים כיסוי ענן מהיר, יוצר אלפי מחזורים תרמיים בשנה. , טורבינות הרוח מול רכיבה תרמית נמוכה מרוחות כי יכול לגרור טמפרטורות על ידי 30 מעלות או יותר זה הוא לחץ מכני עבור מנגנוני לחץ ראשוניים צריח כמו מתח.

מתח סביבתי ו-Gear Interconnection Stress

המרים בחוות השמש והרוח לעתים קרובות פרוסים בסביבה מרוחקת, קשה. Offshore רוח טורבינות פנים לחות גבוהה, תרסיס מלח, רטט עם גישה מוגבלת תחזוקה. סולרי מאופים תחת אור השמש הישיר וסובלים מתנודות טמפרטורה דיווראלית.מחוץ לסביבה, הרשת עצמה כופת מתחים חמורים.לולטי וולט טרמפ דרך (LVRT) ועלייה בוולאג'ט (HRT) דורשות חום כדי לעמוד בתקופות לחץ קיצוניות על פני זמן רב יותר וטמפרטורות מתוחות וטמפרטורות מתוחות על פני מתחים וטמפרטורות מתוחים מתקדמים, וטמפרטורות מתוחים על פני זמן קיצוניות על פני מתחים על פני מתח גבוה יותר וטמפרטורות חום גורם קיצוניות על פני מתח גבוה יותר על פני מתחים על פני מתח גבוה יותר וטמפרטורות תרמילי חום גורם קיצוני.

הפיזיקה של הכישלון: הגישה של שורש

תכנון לאמינות גבוהה דורש מעבר לטבלאות גינריות לדפיסיקה של מתודולוגיה של כישלון (PoF) פומפ מודל את מנגנוני ההשפלה החומריים הספציפיים תחת פרופיל הלחץ הצפוי של תקופת החיים של הממיר.לדוגמה, מודל Coffin-Manson צופה שמספר מחזורי הכוח לכשל עבור IGBT חיבורי אג"ח המבוססים על הטמפרטורה והטמפרטורה של , כך שמודלים המבוססים על ידי ניתוח סיכון של 25 חודשים של טיפול פסיכולוגי, יכולים לזהות את רמת תפקוד לקוי של טיפולית של טיפולית של טיפולית של טיפולית של טיפולית של טיפולית של טיפולית של טיפולית של טיפולית לחץ דם נמוכה של טיפולית של טיפולית של 25 שנים.

מצבי כישלון מפורטים ב-Power Electronic Converters

כשל בממיר כוח הוא לעתים רחוקות אירוע יחיד, אקראי.זה בדרך כלל התקדמות של מנגנונים לבישים במרכיבים לחוצים, ובסופו של דבר מוביל לכישלון פונקציונלי.מערכת המשנה הפגיעה ביותר הן מתגי המוליכים למחצה, ה- DC-link capacitors, ואת ה-Satele Drive אלקטרוניקה.

Semiconductor Switch כשלים (IGBTs, MOSFETs, ו- Diodes)

מוליכים למחצה כוח להתמודד עם הפונקציה הליבה של מעבר תפקוד.מנגנוני הכישלונות שלהם נחקרים מאוד בשל תפקידם הקריטי ועלות ההחלפה הגבוהה.

בונד Wire Fatigue and Lift-Off

חוטי בונד מחברים את סיליקון למות למסוף הכוח של המודול.טי אלומיניום חוטים להתחבר משטח השבבים ניסיון יעיל משמעותי של התרחבות תרמית (CTE) לא מתאים עם סיליקון.כל מחזור כוח גורם זנים מכניים בממשק האג"ח.ב מעל אלפי מחזורים, סדקים nucleate ו propagate לאורך העקב של האג"ח.זה מגבירה על התנגדות המדינה (Vce) עבור משב רוח פתוחה יותר.

המונחים: relative Degradation

מתחת לסיליקון מת, מפרקים מכרים מייחסים את השבב ל-Direct Bonded Copper (DBC) substrate, ואת substrate ל-בסיסה.שכבות אלה כפופות גם לרכיבה תרמית. Voids בתחילה ב-Der גדל, וסדקים בצורת עקב לחץ כבד מכרה מ- CTE לא נכון. זה מגביר את ההתדרדרדרדרדרות התרמית (Rj-c) גורם לטמפרטורות גבוהות יותר מאשר לנפיחות מתקדמת, בסופו של העייפות, בסופו של דבר, לעומת טמפרטורות גבוהות יותר, לעומת טמפרטורות גבוהות יותר, לעומת טמפרטורות גבוהות יותר, לעומת טמפרטורות גבוהות יותר, אשר בסופו של דבר מתקדמות יותר, כמו כישלונות יותר, כמו כישלונות יותר, כמו כישלונות יותר, בסופו של דבר, בסופו של דבר, בסופו של דבר, לעומת כישלונות יותר, כמו כישלונות יותר, כמו כישלונות גבוהה יותר, כתוצאה ממות, כתוצאה מ-יתר, בסופו של דבר, ירידה זו מגבירות גבוהה יותר, כמו כישלונות גבוהה יותר מאשר כישלונות גבוהה יותר, כמו כישלונות גבוהה יותר, בסופו של דבר, כמו כישלונות גבוהה יותר מאשר כישלונות גבוהה יותר, כמו כישלונות גבוהה יותר, כמו כישלונות

ריי חטוף אירוע בודד Burnout (SEB)

מכשירים סמי-מוליכים למחצה בעלי מתחים מעל 600V רגישים לכישלון של נויטרונים אטמוספריים שנוצרו על ידי קרני קוסמיות.כאשר נויטרונים מכה את תת-קרקעית הסיליקון, זה יוצר מקלחת של חלקיקים משניים ממקרינים.הטעון שנוצר יכול לגרום מבנה טמפרמטי מותקן באופן משמעותי ב IGBTs או מצמת דו קוטבית דו קוטבית ב-טרנטית ב-FET זה מוביל לגבהים דרמטיים (לאיים).

שער אוקסיד דהגרד (TDDB ו- BTI)

עבור MOSFET ו IGBTs עם שערי MOS, השלמות של שער דיאלקטרי היא דאגה אמינה גדולה.זמן תלוי דיאלקטרי נשברה (TDDB) מתרחשת כאשר המטען בתוך ה- oxide לאורך זמן יוצר התמוטטות קלה או קשה, מה שהופך את כונן השער לא יכול לשלוט בערוץ.עם אימוץ של מתקפת רוקביריד הסיליקון (SiC) ETFs, בטמפרטורות יעילות (B) הפך לגורם קריטי כדי למנוע לחץ משמעותי (Vth) לגרור את הלחץ הראשי כדי למנוע את הלחץ באופן תקין כדי למנוע את הלחץ (VTH) או לחץ על פני זמן (V.

קפצויים הם לעתים קרובות החוליה החלשה ביותר בממיר כוח.תפקידם הוא להדוף את הקרע הנוכחי ולאחסן אנרגיה, אבל החיים שלהם רגישים מאוד למתח, לקרוע את הזרם והטמפרטורה.

אלקטרוליטי Capacitor Wear-Out

אלומיניום קפצויים אלקטרוליטיים (E-caps) משמשים נרחב במרכיבים רגישים לשרשרת.מנגנון הכישלון העיקרי שלהם הוא evaporation אלקטרוליטי באמצעות החותם גומי. כמו אלקטרוליטה dries החוצה, את מגבלת סדרה Equivalent (ESR) עלייה ו capacitance יורד. ESR גבוה מוביל להתחממות עצמית מוגברת עבור זרם קרוע, יצירת משוב כי הוא מאיץ את קצב התחזוקה של 10 מעלות צלזיוס גבוה יותר.

צילום: Capacitor Degradation

סרט פוליפרופילן מתכתי קפצוגות יותר ויותר העדיפו יישומים גבוהים יותר ויישומים תובעניים יותר בשל התוספת הנוכחית של הטיפול ונכסים של עצמם-העצמים, לעתים קרובות כישלון מתגלה כהפסד הדרגתי של קיבול מאירועים מבהירים מקומיים במהלך מתחים או לחץ DV / DV גבוה, שלא כמו E-caps, לעתים רחוקות הם נכשלים באופן קטסטרופלי, אך אינם יכולים להגיע לנקודה לא מספיק של פעילות נאותה עבור טיפול תרופתי (Freative) עבור פעילות גופנית נאותה (Freative) היא יעילה עבור טיפול תרופתית (Ricial).

שער כונן ושליטה מעגל Malfunctions

אלקטרוניקה השולטת שמניעה את המוליכים למחצה היא עצמה רגישה לכישלון, לעתים קרובות עם השלכות מיידיות וחריפות.

אלקטרומגנטי אינטרפי (EMI) ו- Cross-Talk

גבוה dV / dT ו DI / DT בתוך המבנה חצי-גשר לייצר שדות אלקטרומגנטיים חזקים.אם מצב משותף של הנהג השער Transient Immunity (CMTI) אינו מספיק, מתח יכול להיות מושרה מעבר לקוד השער או מסוף השער.זה יכול לגרום לתפנית חדה של המכשיר, וכתוצאה מכך מצב ירי שבו שניהם מנהלים באופן חלקי מתגים זה באופן מיידי למנוע את המודולים סטנדרטיים של תאים מתקדמים.

עזרה אספקת חשמל

אספקת הכוח של מתג-מודה (SMPS) שיוצרת את מתחי הכונן השער וכוח ההיגיון השולט הוא צומת אמינות קריטית.עיגולים אלה משתמשים לעתים קרובות בציפוי אלקטרוליטיים קטנים או קרמיקה ואופטוקרנטים, שיש להם מנגנונים משלהם ללבוש.כישלון של תוצאות האספקה העזר באובדן מוחלט של שליטה ממיר, לעתים קרובות גורם למצב לא מבוקר או מנעול.

דפוסים של כישלון על פני יישומים חדשים

בעוד מצבי הכישלון הבסיסיים הם עקביים, פרופיל הלחץ הספציפי ושינוי מנגנון הכשל הדומיננטי בהתאם ליישום.

סולרי Photovoltaic Inverters

מעכבי PV, במיוחד מיתרים ומיקרו-מפלטים, עומדים בפני כמה מהתנאים התרמיים הקשים ביותר.הם פרוסים בחוץ באור השמש הישיר, לעתים קרובות במסגרים חתומות עם קירור פסיבי.המחזור המלא בשילוב עם תנודות מהירות של חשמל מעננים חולפים גורם אופניים תרמיים. Capacitor הוא גורם מגביל העיקרי במערכות אלה, המניע שינוי שוק מאלקטרוליטי ל-קטיביים בעיצובים מתקדמים יותר.

Wind Turbine Converters

ממירי טורבינות רוח שוכנו בדרך כלל ב-Ne Celle, אשר נושאים אותם לרמות גבוהות של רטט, עבור מערכות offshore, תרסיס מלח קורוזי.ה הלחץ הייחודי ביותר הוא רכיבה תרמית נמוך ⁇ (LFTC) Wind gusts לאורך כמה דקות לגרום תנודות טמפרטורה עמוקה במודולים IGBT. זה LFTC מזיק במיוחד לבסיס משותף של אג"ח ותל תאים גבוהים מאוד (C) הם לעתים קרובות מעל גובה הפונקציונליות ירוק גבוה של ⁇ ( SEB) על פני שטח אדום).

סוללות אנרגיה אחסון מערכות (BESS)

ממירים BESS מטפלים בזרם כוח דו-צדדי והם נתונים למחזורי טעינה וניתוק גבוה.הלחץ התרמית תלוי במידה רבה בפרופיל המשימה המבצעי, אשר יכול לנוע בין גילוח פסגות חלקה לתדירות מהירה.האינטראקציה בין מערכת ניהול סוללות (BMS) לבין הממיר יכול ליצור התנגשויות בתדר נמוך כי במיוחד לחץ על ה- DC-link capacitor. בנוסף, המרמיר חייב לשמור על יעילות גבוהה כמו בטווח הסוללה משתנה כדי להוביל את המשתנים.

אסטרטגיות לתחזוקה גבוהה ופרוגנוסטים

מיגור מצבי כישלונ אלה דורש אסטרטגיה מקיפה המשתרעת על עיצוב ראשוני, בקרה תפעולית ותחזוקה חיזוי.

עיצוב של אמינות ודריזציה חכמה

הפחתת מתח מוליכים למחצה ודירוגים הנוכחיים ביחס לדירוגים המקסימליים המוחלטים שלהם נשאר האמצעי היעיל ביותר של צמצום שיעורי הכשל.שימוש במרכיבים עם דירוגי טמפרטורה גבוהים יותר מספק שולי תרמיים.עיצוב תרמי נכון, כולל ניהול זרימת חום, וניהול זרימת האוויר, וקירור נוזלי עבור יישומים בעלי עוצמה גבוהה, הוא אבן הפינה של אמינות.ההההה בדיקות חיים, כגון High טמפרטורה גבוהה Bas (HTR) וחום גבוה (H) וחום קירור נוזלי למנגנוני חום (HB) וחום גבוה (R) מנגנונים מתקדמים נגד מנגנונים מתקדמים) וחום (R) מנגנונים מתקדמים נגד מנגנוני אחריות גבוהה (R) הוא אבן-Reverseity נגד מנגנונים מתקדמים (R) הוא אבן-BSTTR) וחום (R) נגד מנגנונים מתקדמים נגד מנגנונים מתקדמים נגד מנגנונים מתקדמים (RIRSTTR) מנגנונים מתקדמים נגד מנגנוני אחריות גבוהה (R) הוא אבן הפינה של מנגנוני אחריות גבוהה (RIRSTTR) הוא אבן הפינה של מנגנוני אחריות גבוהה נגד מנגנוני אחריות גבוהה (RIRSTTR) נגד מנגנוני אחריות על פני מנגנוני אחריות על פני מנגנוני אחריות גבוהה (R) הוא אבן הפינה של מנגנוני אחריות גבוהה (R) מנגנוני אחריות

ניהול בריאות וקידום (PHM)

מעבר מתחזוקה מבוססת זמן לתחזוקה מבוססת תנאים מפחיתה את זמן השבתה לא מתוכנן ומפחית את הסיכון לכשל קטסטרופלי.טכניקות מפתח PHM כוללות:

  • (FLT:0) On-state Voltage (Vce(on) / Vf) ניטור: אנדרט 1 (Vf) ניטור המתח קדימה של IGBTs ודידות הוא אחד השיטות החזקות ביותר למעקב אחר עייפות חוטי קשר והשפלה מכרה.
  • (FLT:0)Gate Leakage הנוכחי ו- Threshold Voltage Tracking:Felo: 1FLT: שינויים בזרם השער או שינויים במתח סף יכולים לסמן את תחילת ההידרדרות החד-חמצני של השער, במיוחד בסי-CFET.
  • (FLT:0) איסיאולטי ו- Partial Discharge:FLT:1 חיישנים אקוסטיים גבוהים ⁇ יכול לזהות את מיקרו-קפיצת חומרים ופעילות פריקה חלקית בתוך קיבולים ומערכות בידוד לפני שהאשמה קטסטרופלית מתרחשת.
  • (FLT:0)AI ו- Machine Learning:FLT:1 אנליטרינת נתונים מודרנית בשילוב עם מודלים של פיסיקה-of-failure יכולים לחזות את החיים שימושיים של Remaining (RUL) של מודולי חשמל המבוססים על נתונים תפעוליים היסטוריים ותנאים סביבתיים בזמן אמת.

אימוץ של Bandgap Semiconductors (SiC ו- GaN)

מכשירים רחבים של להקות, במיוחד SiC MOSFET, מציעים יתרונות אמינות פנימית, כולל יכולת טמפרטורה גבוהה יותר צומת (עד 200 מעלות צלזיוס) ו מוליכות תרמית גבוהה הרבה יותר.זה מאפשר דרישות קירור מופחת וניהול תרמי פשוט.יעילות גבוהה שלהם להפחית ישירות הפסדים ולחץ תרמי נמוך יותר.עם זאת, הם גם מציגים מנגנונים חדשים, כגון מתח סף (BTI) ורגישות לערימות.

Topology and Redundancy Management

אמינות ברמת המערכת מוגברת באמצעות עיצוב אינטליגנטי.המירת הרב-דרגתי להתנצלות (כגון NPC ו- MMC) מפיצה מתח מתח מתח מתח על פני מכשירים מרובים, המאפשרת שימוש במתח נמוך יותר, רכיבים אמינים יותר. תצורה N1 Redundant להבטיח כי כשל מודול יחיד אינו מכריח את המערכת כולה לא מקוון.

מסקנה

הכדאיות הכלכלית של אנרגיה מתחדשת בקנה מידה גדול של משקעים על האמינות ארוכת הטווח של מערכות חשמל אלקטרוניות.מצבי כישלון במערכות אלה הם מתוחכמים היטב, החל מהתמוטטות חד תחמוצת שער אטומית לאתגרים ניהול תרמיים ברמה המערכתית.הדרך קדימה דורש יישום קפדני עבור עקרונות אחריות, פריסת מערכות ניטור מתוחכמות כדי לאפשר תחזוקה, בזהירות להעריך טכנולוגיות מתפתחות כמו סי-CN על בסיס כוח חיוני כדי להשיג את השינויים קריטיים של אנרגיה מתחדשת.