Πώς να σχεδιάσετε μια παράλληλη δομή διόδου σε ένα πλεονάζον ενεργειακό σύστημα;

一, Επιλογή συσκευής: Αντιστοίχιση παραμέτρων βάσει σκηνής
1. Έλεγχος τρέχουσας χωρητικότητας και διακριτικότητας
Τα πλεονάζοντα συστήματα πρέπει να αντιμετωπίζουν σενάρια αστοχίας μιας μονάδας και οι παράλληλες δίοδοι πρέπει να πληρούν τις ακόλουθες απαιτήσεις:

Ονομαστικός πλεονασμός ρεύματος: Το ονομαστικό ρεύμα ενός μεμονωμένου σωλήνα πρέπει να είναι μεγαλύτερο ή ίσο με το μέγιστο ρεύμα φορτίου του συστήματος/(αριθμός παράλληλων συνδέσεων x 0,8), με δεσμευμένο περιθώριο ασφαλείας 20%. Για παράδειγμα, σε ένα σύστημα 48V/20A όπου συνδέονται 4 σωλήνες παράλληλα, θα πρέπει να επιλεγεί ένα μοντέλο μονού σωλήνα 30Α ή υψηλότερο.
Συνοχή μπροστινής πτώσης τάσης: Η διασπορά Vf των διόδων Schottky πρέπει να είναι μικρότερη ή ίση με 5% για να αποφευχθεί η ανισορροπία της κατανομής ρεύματος που προκαλείται από διαφορές στην πτώση τάσης αγωγιμότητας. Σε μια θήκη OBC νέου ενεργειακού οχήματος, τέσσερις δίοδοι Schottky 30A με απόκλιση Vf ± 0,1V συνδέθηκαν παράλληλα και μια αντίσταση κοινής χρήσης ρεύματος 0,2 Ω χρησιμοποιήθηκε για την επίτευξη απόκλισης ρεύματος<± 5% in the entire temperature range.
2. Ανάστροφα χαρακτηριστικά και απαιτήσεις προστασίας
Περιθώριο τάσης αντίστροφης αντοχής: Η δίοδος VRRM πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με 1,5 φορές τη μέγιστη τάση του συστήματος. Για παράδειγμα, σε ένα σύστημα συνδεδεμένο με φωτοβολταϊκό δίκτυο, η τάση ανοιχτού κυκλώματος του ηλιακού πάνελ μπορεί να φτάσει τα 1000 V και πρέπει να επιλεγούν δίοδοι TVS με VRRM μεγαλύτερο ή ίσο με 1500 V.
Αντίστροφη βελτιστοποίηση χρόνου ανάκτησης: Εξαιρετικά γρήγορες δίοδοι ανάκτησης με 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, Σχεδιασμός Τοπολογίας: Εξισορρόπηση Πλεονασμού και Απομόνωσης
1. Αρχιτεκτονική παράλληλης κοινής χρήσης ρεύματος
Σχέδιο κοινής χρήσης παθητικού ρεύματος: Η εξισορρόπηση ρεύματος επιτυγχάνεται με τη σύνδεση αντιστάσεων κοινής χρήσης ρεύματος χαμηλής επαγωγής 0,1-0,5 Ω σε σειρά. Ένα συγκεκριμένο βιομηχανικό τροφοδοτικό PLC υιοθετεί έναν παράλληλο σχεδιασμό διπλού σωλήνα και ο εφεδρικός κλάδος μπορεί να συνδεθεί εντός 10 μ s όταν ο κύριος σωλήνας αποτύχει. Η κατανάλωση ισχύος της αντίστασης κοινής χρήσης ρεύματος ελέγχεται εντός 0,5 W.
Σχέδιο κοινής χρήσης ενεργού ρεύματος: χρησιμοποιώντας τσιπ ενεργούς κοινής χρήσης ρεύματος όπως το LTC4370, η δυναμική κατανομή ρεύματος επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας την τάση πύλης. Σε μια θήκη τροφοδοτικού κέντρου δεδομένων, ένα παράλληλο σύστημα 4 σωλήνων πέτυχε σφάλμα κατανομής ρεύματος φορτίου<± 2% through active current sharing control.
2. Περιττός σχεδιασμός απομόνωσης
N+1 πλεονάζουσα τοπολογία: Η κύρια μονάδα και η εφεδρική μονάδα απομονώνονται με διόδους για να διασφαλιστεί ότι μια αποτυχία μεμονωμένης μονάδας δεν επηρεάζει την έξοδο του συστήματος. Το τροφοδοτικό ενός συγκεκριμένου ιατρικού εξοπλισμού υιοθετεί έναν 3+1 σχεδιασμό πλεονασμού και η εφεδρική μονάδα απομονώνεται από το κύριο κύκλωμα μέσω διόδων, με χρόνο μεταγωγής σφάλματος μικρότερο από 50 μ s.
Λύση αντικατάστασης MOSFET back to back: Σε σενάρια που απαιτούν αμφίδρομη απομόνωση, δύο MOSFET N{0}} καναλιών συνδέονται πίσω-με-πίσω και συνδυάζονται με το τσιπ ελέγχου LTC4416 για την επίτευξη απομόνωσης χαμηλών απωλειών. Σε περίπτωση τροφοδοσίας διακομιστή, αυτή η λύση μείωσε την πτώση τάσης αγωγιμότητας από 0,45 V σε 0,03 V, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης κατά 12%.
3, Θερμική διαχείριση: συνέργεια μεταξύ της απαγωγής θερμότητας και της αξιοπιστίας
1. Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας και σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας
Υπολογισμός απώλειας αγωγιμότητας: Οι δίοδοι P{0}Vf × Iavg, low Vf θα πρέπει να έχουν προτεραιότητα για σενάρια υψηλού ρεύματος. Για παράδειγμα, με ρεύμα 12Α, η κατανάλωση ισχύος μιας διόδου Schottky 0,45 V φτάνει τα 5,4 W και χρειάζεται να εγκατασταθεί μια ψύκτρα. Η δίοδος Schottky 0,3 V SiC έχει κατανάλωση ενέργειας μόνο 3,6 W και μπορεί να διαχέει τη θερμότητα φυσικά.
Έλεγχος θερμικής αντίστασης: Χρήση συσκευασίας χαμηλής θερμικής αντίστασης (όπως συσκευασία TO-220 με R θ JA=40 βαθμό /W), σε συνδυασμό με θερμικά αγώγιμο γράσο σιλικόνης για έλεγχο της θερμοκρασίας σύνδεσης κάτω από 125 βαθμούς. Σε μια μελέτη περίπτωσης μιας μονάδας φόρτισης ηλεκτρικού οχήματος, η αύξηση της θερμοκρασίας της διόδου μειώθηκε από 45 μοίρες σε 25 μοίρες βελτιστοποιώντας την περιοχή φύλλου χαλκού PCB (Μεγαλύτερη ή ίση με 100 mm ²/A).
2. Βελτιστοποίηση διάταξης και καταστολή παρασιτικών παραμέτρων
Έλεγχος παρασιτικής επαγωγής: Κατά τη διάταξη PCB, το μήκος της δρομολόγησης της ακίδας της διόδου πρέπει να είναι<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%.
Σχεδιασμός θερμικής ζεύξης: Σε σενάρια υψηλής πυκνότητας ισχύος, χρησιμοποιείται ένας κοινός σχεδιασμός ψύκτρας για να διασφαλιστεί η ισορροπία θερμοκρασίας των παράλληλων διόδων. Σε μια συγκεκριμένη περίπτωση τροφοδοτικού επικοινωνίας, η απόκλιση της θερμοκρασίας της διασταύρωσης μειώθηκε από 15 μοίρες σε 5 μοίρες με την εγκατάσταση τεσσάρων διόδων σφιχτά πάνω στην ψύκτρα.
4, Επαλήθευση μηχανικής: κλειστός-βρόχος από την προσομοίωση στην πραγματική μέτρηση
1. Επαλήθευση προσομοίωσης
Προσομοίωση μοντέλου SPICE: Δημιουργήστε ένα μοντέλο LTspice για παράλληλα κυκλώματα διόδου για να επαληθεύσετε το φαινόμενο κοινής χρήσης ρεύματος και τη θερμική κατανομή. Σε μια συγκεκριμένη περίπτωση παροχής ρεύματος αεροσκαφών, διαπιστώθηκε μέσω προσομοίωσης ότι υπήρχε 20% ανισορροπία ρεύματος σε παράλληλες διόδους. Μετά τη βελτιστοποίηση των τρεχουσών παραμέτρων αντίστασης κοινής χρήσης, η ανισορροπία μειώθηκε στο 5%.
Ανάλυση θερμικής προσομοίωσης: Το FloTHERM και άλλα εργαλεία χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση της διαδρομής απαγωγής θερμότητας και τη βελτιστοποίηση της δομής της ψύκτρας. Σε μια μελέτη περίπτωσης τροφοδοσίας σιδηροδρομικής μεταφοράς, το ύψος των πτερυγίων της ψύκτρας ρυθμίστηκε από 15 mm σε 20 mm μέσω προσομοίωσης, μειώνοντας τη μέγιστη θερμοκρασία διασταύρωσης από 130 βαθμούς σε 115 βαθμούς.
2. Έλεγχος αξιοπιστίας
Δοκιμή HALT: Επαληθεύστε τα όρια σχεδιασμού μέσω δοκιμών ζωής υψηλής επιτάχυνσης. Σε μια περίπτωση στρατιωτικού τροφοδοτικού, η παράλληλη δομή της διόδου δεν απέτυχε μετά από 1000 κύκλους κύκλου θερμοκρασίας από -40 βαθμούς σε+125 βαθμούς .
Δοκιμή EMC: Επαληθεύστε εάν ο θόρυβος που δημιουργείται από την αντίστροφη ανάκτηση διόδου πληροί το πρότυπο. Σε μια μελέτη περίπτωσης τροφοδοσίας ιατρικής συσκευής, ένας πυκνωτής 100pF συνδέθηκε παράλληλα κατά μήκος της διόδου για να μειώσει την ακτινοβολούμενη παρεμβολή από 45dB μ V σε 35dB μ V.
5, Τυπικές περιπτώσεις εφαρμογής
1. Περιττή παροχή ρεύματος για σταθμούς βάσης επικοινωνίας
Χρησιμοποιώντας 4 παράλληλα τροφοδοτικά 20Α, το καθένα απομονωμένο με διόδους Schottky SR1660 (16A/60V). Αποκτήστε υψηλή αξιοπιστία μέσω του ακόλουθου σχεδιασμού:

Επιλογή αντίστασης κοινής χρήσης ρεύματος: 0,3 Ω/5W αντίσταση τσιμέντου, διασφαλίζοντας ότι το ρεύμα ενός σωλήνα δεν υπερβαίνει τα 15A
Σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας: περιοχή ψύκτρας μεγαλύτερη από ή ίση με 200 cm ², θερμοκρασία διασταύρωσης<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Λειτουργία προστασίας: Η δίοδος TVS (18V/1kW) καταστέλλει τις υπερτάσεις, το βαρίστορ (150V) αποτρέπει την υπέρταση
2. Μονάδα φόρτισης για νέα ενεργειακά οχήματα
Αντικατάσταση των παραδοσιακών διόδων με SiC MOSFET για την επίτευξη χαμηλού πλεονασμού απωλειών:

Τοπολογία: πίσω-προς-πίσω C2M0080120D SiC MOSFET (1200V/80m Ω)
Σχέδιο ελέγχου: Πρόγραμμα οδήγησης LTC4416, με πτώση τάσης αγωγιμότητας μόνο 0,1 V
Βελτίωση απόδοσης: Σε σύγκριση με τις λύσεις διόδων Schottky, η απόδοση του συστήματος έχει αυξηθεί από 92% σε 96%