چگونه می‌توان به چالش-دیودهای فرکانس بالا در سیستم انرژی رسیدگی کرد؟

一، نقاط درد اصلی چالش‌های-با فرکانس بالا
1. تداخل الکترومغناطیسی (EMI) از دست دادن کنترل
The high-frequency switching action (such as the di/dt of SiC MOSFET reaching 10 ³ -10 ⁴ A/μ s) will produce steep voltage spikes (dv/dt>10kV/μs)، که منجر به افزایش قابل توجهی هدایت و تداخل تشعشع می شود. به عنوان مثال، در اینورترهای فتوولتائیک، نویز فرکانس بالا-ممکن است با سیستم نظارت بر ولتاژ شبکه برق تداخل داشته باشد و باعث خطای جمع آوری داده بیش از 5٪ شود. در ایستگاه های پایه 5G، طیف EMI فراتر از 30 مگاهرتز است که فراتر از محدوده سرکوب فیلترهای LC سنتی است. فیلترهای نوع چند مرتبه π - باید طراحی شوند، اما تلفات اضافی را 2-3٪ افزایش می دهد.

2. افزایش ناگهانی فشار مدیریت حرارتی
فرکانس بالا چگالی توان را به بیش از 15 کیلووات بر لیتر افزایش می دهد و در نتیجه تولید گرما در واحد حجم افزایش می یابد. با در نظر گرفتن اینورتر درایو وسایل نقلیه با انرژی جدید، دمای اتصال دیودهای SiC باید زیر 125 درجه تحت عملکرد فرکانس بالا کنترل شود، و راندمان اتلاف گرمای هوای سرد{4} سنتی کافی نیست (کمتر یا مساوی 50W/(متر مربع در محل خنک‌کننده، استفاده مجدد از مایع در محل، استفاده از لوله + او) وزن و هزینه تجهیزات را افزایش می دهد. علاوه بر این، ترانسفورماتورهای فرکانس بالا به دلیل اثرات پوستی و مجاورت، مستعد دمای سیم پیچ محلی بیش از 150 درجه هستند که خطر فرار حرارتی را بیشتر تشدید می کند.

3. عملکرد مواد و گلوگاه بسته بندی
مواد مبتنی بر سیلیکون سنتی در فرکانس‌های بالا به محدودیت‌های فیزیکی خود نزدیک می‌شوند: زمان بازیابی معکوس (TRR) دیودهای سیلیکونی می‌تواند به ده‌ها تا صدها نانوثانیه برسد که منجر به تلفات سوئیچ بیش از 30 درصد می‌شود. اتلاف آهن ترانسفورماتورهای ورق فولادی سیلیکونی در 100 کیلوهرتز بیش از 100 برابر فرکانس توان است که نیاز به استفاده از مواد هسته مغناطیسی با فرکانس بالا مانند آلیاژهای نانوکریستالی دارد، اما هزینه آن بالا است (5 تا 8 برابر ورق های فولادی سیلیکونی). از نظر بسته بندی، بسته بندی سنتی TO-247 اندوکتانس انگلی قابل توجهی بالاتر از 100 کیلوهرتز نشان می دهد که نیاز به یک سوئیچ برای بسته بندی فلیپ چیپ یا بسته بندی مسطح دارد. با این حال، مسیر اتلاف گرما پیچیده است و هزینه آن 20-30٪ افزایش می یابد.

2، پیشرفت فناوری: بهینه سازی زنجیره کامل از دستگاه ها به سیستم ها
1. کاربرد مواد نیمه هادی جدید
دیود کاربید سیلیکون (SiC): عرض باند مواد SiC سه برابر سیلیکون است، قدرت میدان الکتریکی شکست به 2-3MV/cm می‌رسد و زمان بازیابی معکوس را می‌توان به چند ده نانوثانیه کاهش داد. در اینورترهای فتوولتائیک، دیودهای SiC تلفات سوئیچینگ را تا 30 درصد کاهش می دهند و بازده تبدیل بیش از 98 درصد را به دست می آورند. در اینورتر درایو وسایل نقلیه انرژی جدید، پایداری دمای بالای آن (دمای اتصال تا 200 درجه) از پلت فرم ولتاژ بالا 800 ولت پشتیبانی می کند و حجم رادیاتور تا 40٪ کاهش می یابد.
دیود نیترید گالیوم (GaN): GaN دارای تحرک الکترون 2000 سانتی متر مربع/(V · s) است که آن را برای کاربردهای RF و فرکانس بالا- مناسب می کند. در قسمت جلویی موج میلی متری ایستگاه های پایه 5G، دیودهای GaN به تصحیح و تشخیص سیگنال کارآمد دست می یابند، مصرف برق را تا 30 درصد در مقایسه با دستگاه های سیلیکونی کاهش می دهند و از عملکرد پایدار در باند فرکانسی 24 گیگاهرتز-52 گیگاهرتز پشتیبانی می کنند.
دیود مواد دو بعدی: دیود گرافن از ویژگی‌های فاصله باند صفر برای دستیابی به سوئیچینگ با سرعت بالا در باند فرکانس تراهرتز (THz) استفاده می‌کند و اجزای اصلی را برای پیش تحقیقات ارتباطی 6G فراهم می‌کند. دیودهای MoS 2 به ویژگی‌های یکسوسازی قابل برنامه‌ریزی از طریق ساختارهای اتصال ناهمگون، جایگزینی چندین دستگاه عملکردی در تراشه‌های محاسباتی قابل تنظیم مجدد و بهبود یکپارچگی و بهره‌وری انرژی دست می‌یابند.
2. نوآوری در فناوری بسته بندی
ساختار عمودی سه بعدی: با استفاده از تکنیک‌های حکاکی عمیق ترانشه و رشد همپایه، مسیر انتقال جریان از افقی به عمودی تبدیل می‌شود و چگالی جریان را به بیش از 200A/cm² افزایش می‌دهد. دیودهای SiC PiN عمودی می‌توانند هزاران ولت ولتاژ معکوس را در سیستم‌های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) تحمل کنند و تعداد اجزای ایستگاه مبدل و تلفات سیستم را کاهش دهند.
فن آوری نصب سطحی (SMT) و فناوری تراشه فلیپ: بسته بندی SMT سطح تماس بین دیودها و بردهای مدار را افزایش می دهد و راندمان اتلاف گرما را تا 40% بهبود می بخشد. فناوری تراشه معکوس فاصله اتصال بین تراشه‌ها و بردهای مدار را کوتاه می‌کند، تلفات انتقال سیگنال و مقاومت حرارتی را کاهش می‌دهد و برای سناریوهای-فرکانس بالا و جریان بالا در دستگاه‌های الکترونیکی-بالا مناسب است.
بسته‌بندی با پارامتر انگلی کم: استفاده از سیم‌های پیوند با اندوکتانس پایین و مواد بستر با ظرفیت کم برای کاهش تأثیر پارامترهای انگلی بسته‌بندی بر عملکرد فرکانس بالا-. به عنوان مثال، اندوکتانس انگلی بسته بندی ماژول SiC که توسط یک شرکت خاص توسعه یافته است، به اندازه 2nH است و از افزایش فرکانس سوئیچینگ به بالای 1 مگاهرتز پشتیبانی می کند.
3، بهینه سازی سیستم: نوآوری مشترک از طراحی تا عملیات
1. طراحی سرکوب EMI و سازگاری الکترومغناطیسی (EMC).
فن آوری فیلتر و محافظ چند مرتبه: در اینورترهای فتوولتائیک، ترکیبی از فیلترهای نوع π - و چوک های حالت معمولی برای سرکوب صدای فرکانس بالا- بالای 30 مگاهرتز استفاده می شود. در ایستگاه های شارژ خودروهای انرژی جدید، از فویل مسی محافظ و روکش های فلزی برای کاهش تشعشعات الکترومغناطیسی و مطابق با استانداردهای CISPR 32 استفاده می شود.
تکنولوژی سوئیچینگ نرم: با استفاده از سوئیچینگ ولتاژ صفر (ZVS) یا سوئیچینگ جریان صفر (ZCS) برای کاهش di/dt و dv/dt، تلفات بازیابی معکوس به حداقل می رسد. به عنوان مثال، پس از اعمال فناوری سوئیچینگ نرم بر روی یک دستگاه الکترونیکی قدرت خاص، مصرف انرژی کلی سیستم بیش از 25٪ کاهش یافت.
مدیریت پویا EMI مبتنی بر هوش مصنوعی: استفاده از مدل‌های یادگیری ماشین برای تجزیه و تحلیل داده‌های عملیاتی تاریخی، پیش‌بینی نوسانات فعلی و بهینه‌سازی استراتژی‌های کنترل دیود. به عنوان مثال، یک طرح ثبت اختراع خاص از شبکه های عصبی برای تنظیم زمان رسانش در زمان واقعی استفاده می کند و نویز EMI را تا 15 دسی بل کاهش می دهد.
2. ارتقاء هوشمند سیستم مدیریت حرارتی
اتلاف حرارت کامپوزیتی خنک کننده مایع و مواد تغییر فاز (PCM): در سیستم قدرت مراکز داده، یک طرح اتلاف حرارت از صفحه خنک کننده مایع + پر کردن PCM برای تثبیت دمای اتصال دیودهای SiC زیر 125 درجه و افزایش چگالی توان به 20 کیلووات بر لیتر اتخاذ شده است.
شبیه سازی حرارتی و بهینه سازی توپولوژی: با استفاده از ابزارهایی مانند ANSYS Icepak، توزیع جریان حرارتی دیودهای{0} با فرکانس بالا را شبیه سازی کنید، چیدمان PCB و طراحی سینک حرارتی را بهینه کنید. به عنوان مثال، یک پروژه OBC خودروی انرژی جدید از طریق شبیه سازی حرارتی، حجم هیت سینک را تا 30 درصد کاهش داد و افزایش دما را تا 5 درجه کاهش داد.
الگوریتم جبران دما هوشمند: در سیستم اینورتر ذخیره انرژی، الگوریتم AI به صورت پویا ولتاژ محرک دیود را بر اساس زمان واقعی افزایش دما تنظیم می‌کند تا از خرابی بیش از حد گرم جلوگیری کند. برنامه یک شرکت خاص عمر عملیات مداوم سیستم را به بیش از 10 سال در یک محیط 45 درجه افزایش می دهد.