Com dissenyar una estructura paral·lela de díodes en un sistema d'energia redundant?

一, Selecció del dispositiu: concordança de paràmetres basada en l'escena
1. Control de capacitat de corrent i discreció
Els sistemes redundants han de fer front a escenaris de fallada d'un sol mòdul i els díodes paral·lels han de complir els requisits següents:

Redundància de corrent nominal: el corrent nominal d'un sol tub ha de ser superior o igual al corrent de càrrega màxima del sistema/(nombre de connexions paral·leles x 0,8), amb un marge de seguretat del 20% reservat. Per exemple, en un sistema de 48V/20A on es connecten 4 canonades en paral·lel, s'hauria de seleccionar un model de canonada única de 30A o superior.
Consistencia de la caiguda de tensió directa: la dispersió Vf dels díodes Schottky hauria de ser inferior o igual al 5% per evitar el desequilibri de distribució de corrent causat per diferències en la caiguda de tensió de conducció. En un nou cas OBC de vehicle d'energia, es van connectar en paral·lel quatre díodes Schottky de 30 A amb una desviació Vf de ± 0,1 V i es va utilitzar una resistència de compartició de corrent de 0,2 Ω per aconseguir una desviació actual de<± 5% in the entire temperature range.
2. Característiques inverses i requisits de protecció
Marge de tensió de resistència inversa: el díode VRRM ha de ser superior o igual a 1,5 vegades la tensió màxima del sistema. Per exemple, en un sistema connectat a la xarxa fotovoltaica, la tensió de circuit obert del panell solar pot arribar als 1000 V i cal seleccionar els díodes TVS amb VRRM superior o igual a 1500 V.
Optimització inversa del temps de recuperació: díodes de recuperació ultra ràpids amb Trr<50ns should be selected for high-frequency switching scenarios. In a power supply case of a certain communication base station, UF4007 diodes (Trr=35ns) were used instead of ordinary rectifiers to reduce reverse recovery losses by 70%.
2, Disseny de topologia: equilibri de redundància i aïllament
1. Arquitectura de compartició de corrent paral·lel
Esquema de compartició de corrent passiu: l'equilibri de corrent s'aconsegueix connectant resistències de compartició de corrent de baixa inductància de 0,1-0,5 Ω en sèrie. Una certa font d'alimentació PLC industrial adopta un disseny paral·lel de doble tub i la branca de còpia de seguretat es pot connectar en 10 μ s quan falla el tub principal. El consum d'energia de la resistència compartida de corrent es controla dins de 0,5 W.
Esquema de compartició de corrent actiu: utilitzant xips de compartició de corrent actiu com LTC4370, la distribució de corrent dinàmica s'aconsegueix ajustant la tensió de la porta. En un cas d'alimentació d'un centre de dades, un sistema paral·lel de 4 tubs va aconseguir un error de distribució del corrent de càrrega<± 2% through active current sharing control.
2. Disseny d'aïllament redundant
N+1 topologia redundant: el mòdul principal i el mòdul de còpia de seguretat estan aïllats per díodes per garantir que una fallada d'un sol mòdul no afecti la sortida del sistema. La font d'alimentació d'un determinat equip mèdic adopta un disseny de redundància 3+1 i el mòdul de còpia de seguretat està aïllat del circuit principal mitjançant díodes, amb un temps de commutació d'error inferior a 50 μ s.
Solució de substitució de MOSFET esquena amb esquena: en escenaris que requereixen un aïllament bidireccional, es connecten dos MOSFET de -canal N-a-esquena i es combinen amb el xip de control LTC4416 per aconseguir un aïllament de baixes pèrdues. En un cas d'alimentació del servidor, aquesta solució va reduir la caiguda de tensió de conducció de 0,45 V a 0,03 V, donant lloc a un augment de l'eficiència del 12%.
3, Gestió tèrmica: sinergia entre dissipació de calor i fiabilitat
1. Càlcul del consum d'energia i disseny de dissipació de calor
Càlcul de la pèrdua per conducció: P=Vf × Iavg, els díodes de baix Vf s'han de prioritzar per a escenaris de corrent alta. Per exemple, amb un corrent de 12 A, el consum d'energia d'un díode Schottky de 0,45 V arriba als 5,4 W i cal instal·lar un dissipador de calor; El díode Schottky SiC de 0,3 V té un consum d'energia de només 3,6 W i pot dissipar la calor de manera natural.
Control de resistència tèrmica: utilitzant envasos de baixa resistència tèrmica (com ara envasos TO-220 amb R θ JA=40 grau /W), combinat amb greix de silicona conductor tèrmic per controlar la temperatura de la unió per sota dels 125 graus. En un estudi de cas d'un mòdul de càrrega de vehicles elèctrics, l'augment de la temperatura del díode es va reduir de 45 graus a 25 graus optimitzant l'àrea de làmina de coure PCB (més o igual a 100 mm²/A).
2. Optimització de maquetació i supressió de paràmetres paràsits
Control de la inductància parasitària: quan la disposició de la PCB, la longitud de l'encaminament del pin del díode hauria de ser<5mm to avoid the formation of oscillation circuits. In a certain photovoltaic inverter case, by arranging parallel diodes on the same side of the PCB, the parasitic inductance was reduced from 12nH to 2nH, and the reverse recovery overshoot voltage was reduced by 60%.
Disseny d'acoblament tèrmic: en escenaris d'alta densitat de potència, s'utilitza un disseny de dissipador de calor comú per garantir l'equilibri de temperatura dels díodes paral·lels. En un cas determinat d'alimentació de comunicació, la desviació de la temperatura de la unió es va reduir de 15 graus a 5 graus instal·lant quatre díodes amb força contra el dissipador de calor.
4, Verificació d'enginyeria: bucle tancat-des de la simulació fins a la mesura real
1. Verificació de simulació
Simulació del model SPICE: establir un model LTspice per a circuits paral·lels de díodes per verificar l'efecte de compartició de corrent i la distribució tèrmica. En un cas determinat d'alimentació d'aviació, es va trobar mitjançant la simulació que hi havia un desequilibri de corrent del 20% en díodes paral·lels. Després d'optimitzar els paràmetres de resistència compartida de corrent, el desequilibri es va reduir al 5%.
Anàlisi de simulació tèrmica: FloTHERM i altres eines s'utilitzen per simular el camí de dissipació de calor i optimitzar l'estructura del dissipador de calor. En un estudi de cas d'una font d'alimentació de trànsit ferroviari, l'alçada de les aletes del dissipador de calor es va ajustar de 15 mm a 20 mm mitjançant simulació, reduint la temperatura màxima de la unió de 130 graus a 115 graus.
2. Proves de fiabilitat
Proves HALT: verificar els límits de disseny mitjançant proves de vida útil d'alta acceleració. En un cas d'alimentació militar, l'estructura paral·lela del díode no va fallar després de 1.000 cicles de cicle de temperatura de -40 graus a +125 graus.
Prova EMC: verifiqueu si el soroll generat per la recuperació inversa del díode compleix l'estàndard. En un estudi de cas d'una font d'alimentació de dispositiu mèdic, es va connectar un condensador de 100pF en paral·lel a través del díode per reduir la interferència radiada de 45 dB μ V a 35 dB μ V.
5, casos d'aplicació típics
1. Font d'alimentació redundant per a estacions base de comunicacions
Utilitzant 4 fonts d'alimentació paral·leles de 20A, cadascuna aïllada per díodes Schottky SR1660 (16A/60V). Aconseguiu una alta fiabilitat mitjançant el disseny següent:

Selecció de la resistència de compartició de corrent: resistència de ciment de 0,3 Ω/5W, assegurant que el corrent d'un sol tub no superi els 15A
Disseny de dissipació de calor: àrea del dissipador de calor superior o igual a 200 cm², temperatura de la unió<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Funció de protecció: el díode TVS (18V/1kW) suprimeix les sobretensions, el varistor (150V) prevé la sobretensió
2. Mòdul de càrrega de vehicles de nova energia
Substitució dels díodes tradicionals per MOSFET de SiC per aconseguir una redundància de baixes pèrdues:

Topologia: MOSFET SiC C2M0080120D d'esquena-a- (1200 V/80 m Ω)
Esquema de control: controlador LTC4416, amb una caiguda de tensió de conducció de només 0,1 V
Millora de l'eficiència: en comparació amb les solucions de díodes Schottky, l'eficiència del sistema ha augmentat del 92% al 96%