Com resoldre el problema de calefacció dels díodes en els circuits de comunicació?

1, el mecanisme de calefacció dels díodes en escenaris de comunicació
La particularitat dels circuits de comunicació condueix a tres característiques principals de la calefacció del díode: alta - pèrdua de commutació de freqüència, pèrdua de recuperació inversa i pèrdua de paràmetres paràsits. Prenent com a exemple el mòdul PA de l'estació base 5G, la seva freqüència de funcionament ha superat els 4GHz i el díode ha de completar la commutació de tall de conducció dins dels nanosegons. Arribats a aquest punt, tot i que el temps de recuperació inversa (TRR) dels díodes de recuperació ràpida tradicionals (FRDS) s’ha optimitzat a 20 - 50ns, encara es produeixen pèrdues significatives en commutació d’alta freqüència. Segons la llei de Joule, quan la freqüència de commutació augmenta d’1 MHz a 10MHz, la pèrdua de commutació del díode augmentarà de manera exponencial.
La pèrdua de recuperació inversa és una altra font de calor important. Quan el díode canvia de l’estat conductor a l’estat de tall, els transportistes minoritaris emmagatzemats a la unió PN s’han d’eliminar mitjançant la recombinació o l’extracció, i el corrent de recuperació inversa (IRR) format per aquest procés pot arribar a 1,5 - 3 vegades el del corrent endavant. En el circuit de conversió DC-DC de l’alimentació de comunicació, si es selecciona un díode de recuperació ràpida amb TRR =35 NS i IRR =2, la pèrdua de recuperació inversa d’un sol tub pot arribar a 0,7W a una freqüència de commutació d’1MHz, conduint directament a un augment de la temperatura de la unió.
La pèrdua de paràmetres paràsits prové de la inductància envasada (LPAR) i la resistència al plom (Rlead). En els escenaris de comunicació d’ones mil·limètriques (24-100GHz), una inductància paràsita de 0,5NH pot generar una tensió de sobrecàrrega de 5V quan canvia un corrent de 10A, provocant un consum d’energia addicional. Un cert equip de comunicació per satèl·lit va experimentar una fallada tèrmica del mòdul a causa d'una resistència al plom del díode no optimitzat, donant lloc a un augment de 0,3W en el consum d'energia d'un sol tub.
2, reptes especials dels circuits de comunicació
Els equips de comunicació imposen quatre requisits estrictes als díodes:
Compatibilitat d’alta freqüència: les estacions base 5G requereixen components per donar suport a la banda de freqüència de 0,3-6GHz, i la freqüència de tall (FT) dels díodes SI tradicionals és de només 100-300MHz, cosa que és difícil de complir els requisits.
Característica de baixa pèrdua: el mòdul de comunicació òptica requereix una caiguda de tensió de conducció del díode (VF) inferior a 0,3V per reduir l’atenuació del senyal.
Estàndard d’alta fiabilitat: la comunicació aeroespacial requereix que els components funcionin de manera estable dins d’un rang de temperatura de -55 graus fins a +125 grau, amb una taxa de fallada (ajustada) inferior a 10 ^ -9/h.
Requeriment de miniaturització: el mòdul T/R del radar de matriu en fase ha d’integrar centenars de díodes i la mida d’un sol component s’ha de controlar dins de 0,5 mm × 0,5 mm.
Un determinat fabricant de l'estació base va utilitzar un cop va utilitzar els díodes tradicionals de Schottky (SBDS) per a la síntesi de potència, però a causa del dispositiu Trr =10 ns, l'eficiència va disminuir un 5%. Finalment, van canviar a Gan Hemts amb díodes de recuperació ultrafast (UFRDS), cosa que va augmentar l'eficiència del sistema fins al 92%.
3, solució sistemàtica
(1) Optimització del nivell de dispositiu
Innovació material: la tercera - Generació de materials semiconductors (Gan, sic) han mostrat avantatges importants. La mobilitat d’electrons dels díodes GaN és 5 vegades la de SI, amb una freqüència de tall de fins a 10GHz i una reducció del 70% en la resistència (RDS (ON)). Després d’utilitzar SIC SBD amb una càrrega útil de satèl·lit determinada, es va mantenir estable a una temperatura elevada de 200 graus i va reduir el consum d’energia un 60%.
Innovació estructural: Super Junction Technology homogenitza la distribució de camp elèctric mitjançant la organització alternativa de columnes P/N, reduint el VF de 600V SIC SBD de 1,7V a 1.1V. L’estructura de la trinxera MOSFET redueix la resistència de 2m ω · cm ² en estructures planes tradicionals a 0,5 m ω · cm ².
Avanç del procés: l’ús de la tecnologia d’implantació d’ions permet un control precís de la concentració de dopatge, reduint la càrrega de recuperació inversa (QRR) de 50nc a 5nc. Un determinat fabricant de mòduls òptics ha reduït el temps de resposta de díodes PIN de 10 Gbps a 30Ps, optimitzant el gruix de la capa epitaxial.
(2) Disseny de nivell de circuit
Tecnologia de rectificació síncrona: substituint els díodes tradicionals per N - tipus MOSFETs, l'eficiència de les fonts d'alimentació de comunicació de 48V s'ha millorat del 85% al ​​94%. Després d’adoptar aquesta tecnologia, un determinat centre de dades va aconseguir un estalvi d’energia anual d’1,2 milions de kWh.
Topologia de commutació suau: el convertidor de ressonància de LLC aconsegueix commutació de tensió zero (ZVS) a través del corrent ressonant, reduint la tensió de tensió del díode en un 40%. En un subministrament de comunicació de 5kW, aquesta topologia aconsegueix un avenç d’eficiència del 96% i redueix l’augment de la temperatura en 15 graus.
Optimització de disseny: la tecnologia d’envasament 3D s’utilitza per integrar verticalment díodes amb xips de controladors, reduint la inductància paràsit de 3NH a 0,5NH. Una determinada estació de base de 5G va optimitzar l'encaminament del PCB per reduir la inductància del bucle de díodes de 10nH a 2NH, reduint les pèrdues d'interruptor en un 65%.
(3) Gestió tèrmica del nivell del sistema
Material de canvi de fase (PCM): incrustat amb PCM basat en parafina en envasos de díodes, utilitzant la seva calor latent de fusió (200-250J/g) per absorbir la calor màxima. Els experiments han demostrat que el PCM pot reduir l'amplitud de les fluctuacions de la temperatura de la unió un 40% a una densitat de flux de calor de 10W/cm ².
Refredament de microcanal: els discapes de calor de microcanal a base de silici s’utilitzen al mòdul AAU de l’estació base, amb una amplada del canal de refrigeració d’aigua de només 50 μ m i un coeficient de transferència de calor convectiu de 10 ^ 4W/(m ² · K). La prova real d’un operador demostra que aquesta tecnologia redueix l’augment de la temperatura dels díodes de 65 graus a 38 graus.
Algoritme de control de temperatura intel·ligent: mitjançant el seguiment dels canvis en el díode VF en temps real (VF disminueix aproximadament 2mV per cada augment de la temperatura), ajustant dinàmicament la freqüència de commutació i el cicle de treball. Després d’adoptar aquest algorisme, un determinat dispositiu de transmissió òptica pot controlar la fluctuació de potència de sortida dins de ± 0,5dB en un entorn de -40 graus a {{5} graus.
4, casos de pràctica de la indústria
Huawei ha adoptat un esquema de síntesi de potència que utilitza GaN Hemt combinat amb Sic SBD en el disseny de 5G antenes MIMO massives, que ha augmentat la potència de sortida d’un sol canal de 40W a 64W amb una eficiència del 48%. ZTE Corporation aplica la tecnologia de rectificació síncron de trinxera en mòduls de transmissió òptica, reduint el consum d’energia de mòduls òptics de 200G de 24W a 18W. Ericsson integra els sistemes de refrigeració de microcanal a les fonts d’alimentació de l’estació base, permetent que la densitat de potència superi la temperatura de la unió de 1kW/L i el díode per mantenir -se estable per sota dels 85 graus.