Kako dizajnirati diodnu paralelnu strukturu u redundantnom energetskom sistemu?

一, Odabir uređaja: Usklađivanje parametara na bazi scene
1. Kontrola strujnog kapaciteta i diskretnosti
Redundantni sistemi moraju da se nose sa scenarijima kvara jednog modula, a paralelne diode moraju ispunjavati sledeće zahteve:

Redundantnost nazivne struje: Nazivna struja jedne cijevi treba da bude veća ili jednaka maksimalnoj struji opterećenja sistema/(broj paralelnih veza x 0,8), uz rezervisanu sigurnosnu marginu od 20%. Na primjer, u sistemu od 48V/20A gdje su 4 cijevi spojene paralelno, treba odabrati model jedne cijevi od 30A ili više.
Konzistentnost pada napona naprijed: Vf disperzija Schottky dioda treba biti manja ili jednaka 5% kako bi se izbjegla neravnoteža distribucije struje uzrokovana razlikama u padu napona provodljivosti. U OBC kućištu novog energetskog vozila, četiri 30A Schottky diode sa Vf devijacijom od ± 0,1 V bile su spojene paralelno, a otpornik za dijeljenje struje od 0,2 Ω korišten je za postizanje odstupanja struje od<± 5% in the entire temperature range.
2. Reverzne karakteristike i zahtjevi zaštite
Obrnuta granica otpornog napona: VRRM diode mora biti veća ili jednaka 1,5 puta maksimalnog napona sistema. Na primjer, u sistemu koji je povezan s fotonaponskom mrežom, napon otvorenog kruga solarnog panela može doseći 1000V i potrebno je odabrati TVS diode sa VRRM većim ili jednakim 1500V.
Optimizacija vremena povratnog oporavka: Ultra brze diode za oporavak sa 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, Dizajn topologije: balansiranje redundantnosti i izolacije
1. Arhitektura paralelnog dijeljenja struje
Šema pasivne podjele struje: Balansiranje struje se postiže serijskim povezivanjem otpornika za dijeljenje struje niske induktivnosti od 0,1-0,5 Ω. Određeno industrijsko napajanje PLC-a usvaja paralelni dizajn sa dvostrukom cijevi, a pomoćna grana se može povezati u roku od 10 μs kada glavna cijev pokvari. Potrošnja struje otpornika za dijeljenje struje kontrolira se unutar 0,5W.
Šema dijeljenja aktivne struje: korištenjem aktivnih čipova za dijeljenje struje kao što je LTC4370, dinamička distribucija struje se postiže podešavanjem napona na kapiji. U kućištu napajanja centra podataka, paralelni sistem sa 4 cijevi postigao je grešku distribucije struje opterećenja<± 2% through active current sharing control.
2. Redundantni dizajn izolacije
N+1 redundantna topologija: Glavni modul i rezervni modul su izolovani diodama kako bi se osiguralo da kvar jednog modula ne utiče na izlaz sistema. Napajanje određene medicinske opreme ima 3+1 dizajn redundanse, a rezervni modul je izolovan od glavnog kola putem dioda, sa vremenom prebacivanja greške manjim od 50 μs.
Rješenje za zamjenu MOSFET-a: U scenarijima koji zahtijevaju dvosmjernu izolaciju, dva N-kanalna MOSFET-a su povezana nazad-na-pozadi i kombinovana sa LTC4416 kontrolnim čipom kako bi se postigla izolacija sa malim gubicima. U kućištu za napajanje servera, ovo rešenje je smanjilo pad napona provodljivosti sa 0,45V na 0,03V, što je rezultiralo povećanjem efikasnosti od 12%.
3, Upravljanje toplinom: sinergija između disipacije topline i pouzdanosti
1. Proračun potrošnje energije i dizajn odvođenja topline
Proračun gubitka provodljivosti: P=Vf × Iavg, diode niske Vf trebale bi imati prioritet za scenarije velike struje. Na primjer, pod strujom od 12 A, potrošnja energije 0,45 V Schottky diode dostiže 5,4 W, a potrebno je instalirati hladnjak; 0,3V SiC Schottky dioda ima potrošnju energije od samo 3,6W i može prirodno raspršiti toplinu.
Kontrola termičke otpornosti: Korišćenje ambalaže niske toplotne otpornosti (kao što je pakovanje TO-220 sa R ​​θ JA=40 stepen/W), u kombinaciji sa toplotno provodljivom silikonskom mašću za kontrolu temperature spoja ispod 125 stepeni. U studiji slučaja modula za punjenje električnog vozila, porast temperature diode je smanjen sa 45 stepeni na 25 stepeni optimizacijom površine bakarne folije PCB-a (veće ili jednako 100 mm²/A).
2. Optimizacija rasporeda i suzbijanje parazitnih parametara
Kontrola parazitske induktivnosti: Kada je PCB raspored, dužina usmjeravanja diodnih pinova bi trebala biti<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%.
Dizajn termičke sprege: U scenarijima velike gustine snage, zajednički dizajn hladnjaka se koristi kako bi se osigurala ravnoteža temperature paralelnih dioda. U određenom slučaju komunikacionog napajanja, odstupanje temperature spoja je smanjeno sa 15 stepeni na 5 stepeni ugradnjom četiri diode čvrsto uz hladnjak.
4, inženjerska verifikacija: zatvorena-petlja od simulacije do stvarnog mjerenja
1. Verifikacija simulacije
Simulacija SPICE modela: Uspostavite LTspice model za diodna paralelna kola kako biste provjerili učinak dijeljenja struje i toplinsku distribuciju. U određenom slučaju avio-napajanja, simulacijom je utvrđeno da postoji strujni neravnoteža od 20% u paralelnim diodama. Nakon optimizacije parametara otpora dijeljenja struje, neravnoteža je smanjena na 5%.
Analiza termičke simulacije: FloTHERM i drugi alati se koriste za simulaciju putanje odvođenja toplote i optimizaciju strukture hladnjaka. U studiji slučaja šinskog tranzitnog napajanja, visina rebara hladnjaka je podešena sa 15 mm na 20 mm kroz simulaciju, smanjujući maksimalnu temperaturu spoja sa 130 stepeni na 115 stepeni.
2. Ispitivanje pouzdanosti
HALT testiranje: Provjerite ograničenja dizajna kroz testiranje vijeka trajanja visokog ubrzanja. U slučaju vojnog napajanja, paralelna struktura diode nije otkazala nakon 1000 ciklusa cikliranja temperature od -40 stepeni do +125 stepeni.
EMC testiranje: Provjerite da li buka koju stvara obrnuti oporavak dioda zadovoljava standard. U studiji slučaja napajanja medicinskog uređaja, kondenzator od 100pF spojen je paralelno preko diode kako bi se smanjile interferencije zračenja sa 45dB μV na 35dB μV.
5, Tipični slučajevi primjene
1. Redundantno napajanje za komunikacione bazne stanice
Koristeći 4 paralelna izvora napajanja od 20A, svaki izolovan SR1660 Schottky diodama (16A/60V). Ostvarite visoku pouzdanost kroz sljedeći dizajn:

Odabir otpornika za dijeljenje struje: cementni otpornik 0,3 Ω/5W, osiguravajući da struja jedne cijevi ne prelazi 15 A
Dizajn odvođenja topline: površina hladnjaka veća od ili jednaka 200 cm², temperatura spoja<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Funkcija zaštite: TVS dioda (18V/1kW) potiskuje prenapone, varistor (150V) sprječava prenapon
2. Modul za punjenje za vozila sa novom energijom
Zamjena tradicionalnih dioda sa SiC MOSFET-ovima kako bi se postigla redundantnost s malim gubicima:

Topologija: nazad-do-nazad C2M0080120D SiC MOSFET (1200V/80m Ω)
Upravljačka shema: LTC4416 drajver, sa padom napona provodljivosti od samo 0,1V
Poboljšanje efikasnosti: U poređenju sa Schottky diodnim rješenjima, efikasnost sistema je povećana sa 92% na 96%