چگونه یک ساختار موازی دیود در یک سیستم انرژی اضافی طراحی کنیم؟

一، انتخاب دستگاه: تطبیق پارامترهای مبتنی بر صحنه
1. ظرفیت فعلی و کنترل گسستگی
سیستم‌های اضافی باید با سناریوهای خرابی تک ماژول کنار بیایند و دیودهای موازی باید شرایط زیر را برآورده کنند:

افزونگی جریان نامی: جریان نامی یک لوله منفرد باید بزرگتر یا برابر با حداکثر جریان بار سیستم باشد/(تعداد اتصالات موازی x 0.8)، با 20% حاشیه ایمنی محفوظ است. به عنوان مثال، در یک سیستم 48 ولت / 20 آمپر که 4 لوله به صورت موازی به هم متصل هستند، باید یک مدل تک لوله 30 آمپر یا بالاتر انتخاب شود.
ثبات افت ولتاژ رو به جلو: پراکندگی Vf دیودهای شاتکی باید کمتر یا مساوی 5 درصد باشد تا از عدم تعادل توزیع جریان ناشی از تفاوت در افت ولتاژ هدایت جلوگیری شود. در یک مورد OBC خودروی انرژی جدید، چهار دیود شاتکی 30A با انحراف Vf ± 0.1 ولت به صورت موازی متصل شدند و یک مقاومت اشتراکی جریان 0.2 Ω برای دستیابی به انحراف جریان استفاده شد.<± 5% in the entire temperature range.
2. مشخصات معکوس و الزامات حفاظتی
حاشیه ولتاژ مقاومت معکوس: دیود VRRM باید بزرگتر یا مساوی 1.5 برابر حداکثر ولتاژ سیستم باشد. به عنوان مثال، در یک سیستم متصل به شبکه فتوولتائیک، ولتاژ مدار باز پنل خورشیدی می تواند به 1000 ولت برسد و دیودهای TVS با VRRM بزرگتر یا مساوی 1500 ولت باید انتخاب شوند.
بهینه سازی زمان بازیابی معکوس: دیودهای بازیابی فوق العاده سریع با 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، طراحی توپولوژی: متوازن کردن افزونگی و جداسازی
1. معماری به اشتراک گذاری جریان موازی
طرح اشتراک جریان غیر فعال: تعادل جریان با اتصال مقاومت های اشتراکی جریان القایی کم 0.1-0.5 Ω به صورت سری به دست می آید. یک منبع تغذیه PLC صنعتی خاص از طراحی موازی لوله دوگانه استفاده می کند و شاخه پشتیبان را می توان در عرض 10 میکرو ثانیه در صورت از کار افتادن لوله اصلی متصل کرد. مصرف برق مقاومت به اشتراک گذاری جریان در 0.5 وات کنترل می شود.
طرح اشتراک جریان فعال: با استفاده از تراشه های اشتراک گذاری جریان فعال مانند LTC4370، توزیع جریان دینامیکی با تنظیم ولتاژ گیت به دست می آید. در یک مورد منبع تغذیه مرکز داده، یک سیستم موازی 4 لوله ای به خطای توزیع جریان بار رسید<± 2% through active current sharing control.
2. طراحی جداسازی اضافی
توپولوژی اضافی N+1: ماژول اصلی و ماژول پشتیبان توسط دیودها جدا می شوند تا اطمینان حاصل شود که خرابی یک ماژول بر خروجی سیستم تأثیر نمی گذارد. منبع تغذیه یک تجهیزات پزشکی خاص از طراحی افزونگی 3+1 استفاده می‌کند و ماژول پشتیبان از طریق دیودها از مدار اصلی جدا می‌شود، با زمان سوئیچینگ خطا کمتر از 50 میکرو ثانیه.
راه حل جایگزینی ماسفت پشت به پشت: در سناریوهایی که نیاز به ایزوله دوطرفه دارند، دو ماسفت N کانال به عقب متصل می شوند و با تراشه کنترلی LTC4416 ترکیب می شوند تا به ایزوله سازی کم تلفات دست یابند. در مورد منبع تغذیه سرور، این راه حل افت ولتاژ هدایت را از 0.45 ولت به 0.03 ولت کاهش داد و در نتیجه 12 درصد افزایش راندمان را به همراه داشت.
3، مدیریت حرارتی: هم افزایی بین اتلاف گرما و قابلیت اطمینان
1. محاسبه مصرف برق و طراحی اتلاف حرارت
محاسبه تلفات هدایت: دیودهای P{0}Vf × Iavg، Vf پایین برای سناریوهای جریان بالا باید اولویت بندی شوند. به عنوان مثال، تحت جریان 12 آمپر، مصرف برق یک دیود شاتکی 0.45 ولت به 5.4 وات می رسد و یک هیت سینک باید نصب شود. دیود 0.3 ولت SiC شاتکی تنها 3.6 وات مصرف دارد و می تواند گرما را به طور طبیعی دفع کند.
کنترل مقاومت حرارتی: استفاده از بسته بندی با مقاومت حرارتی کم (مانند بسته بندی TO-220 با R θ JA=40 درجه / W)، همراه با گریس سیلیکونی رسانای حرارتی برای کنترل دمای محل اتصال زیر ۱۲۵ درجه. در یک مطالعه موردی یک ماژول شارژ خودروی الکتریکی، افزایش دمای دیود از 45 درجه به 25 درجه با بهینه‌سازی ناحیه فویل مس PCB (بیشتر یا مساوی 100 میلی‌متر مربع/A) کاهش یافت.
2. بهینه سازی چیدمان و سرکوب پارامترهای انگلی
کنترل اندوکتانس انگلی: هنگام طرح PCB، طول مسیر پین دیود باید باشد<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%.
طراحی کوپلینگ حرارتی: در سناریوهای با چگالی توان بالا، یک طرح هیت سینک معمولی برای اطمینان از تعادل دمایی دیودهای موازی استفاده می شود. در یک مورد منبع تغذیه ارتباطی خاص، انحراف دمای اتصال از 15 درجه به 5 درجه با نصب چهار دیود محکم در برابر هیت سینک کاهش یافت.
4، تأیید مهندسی: حلقه بسته-از شبیه‌سازی تا اندازه‌گیری واقعی
1. تایید شبیه سازی
شبیه سازی مدل SPICE: یک مدل LTspice برای مدارهای موازی دیود ایجاد کنید تا اثر اشتراک جریان و توزیع حرارتی را تأیید کنید. در یک مورد منبع تغذیه هوانوردی خاص، از طریق شبیه سازی مشخص شد که 20 درصد عدم تعادل جریان در دیودهای موازی وجود دارد. پس از بهینه سازی پارامترهای مقاومت اشتراک گذاری فعلی، عدم تعادل به 5 درصد کاهش یافت.
تجزیه و تحلیل شبیه سازی حرارتی: FloTHERM و سایر ابزارها برای شبیه سازی مسیر اتلاف حرارت و بهینه سازی ساختار هیت سینک استفاده می شوند. در مطالعه موردی منبع تغذیه ترانزیت ریلی، ارتفاع پره های سینک حرارتی از طریق شبیه سازی از 15 میلی متر به 20 میلی متر تنظیم شد و حداکثر دمای اتصال را از 130 درجه به 115 درجه کاهش داد.
2. تست قابلیت اطمینان
تست HALT: محدودیت های طراحی را از طریق آزمایش عمر شتاب بالا بررسی کنید. در یک منبع تغذیه نظامی، ساختار موازی دیود پس از 1000 چرخه چرخه دما از -40 درجه تا+125 درجه خراب نشد.
تست EMC: بررسی کنید که آیا نویز ایجاد شده توسط بازیابی معکوس دیود مطابق با استاندارد است یا خیر. در مطالعه موردی یک منبع تغذیه دستگاه پزشکی، یک خازن 100pF به صورت موازی در سراسر دیود متصل شد تا تداخل تابشی را از 45dB μV به 35dB μV کاهش دهد.
5، موارد کاربردی معمولی
1. منبع تغذیه اضافی برای ایستگاه های پایه ارتباطی
با استفاده از 4 منبع تغذیه 20 آمپر موازی که هر کدام توسط دیودهای شاتکی SR1660 (16A/60V) ایزوله شده است. با طراحی زیر به قابلیت اطمینان بالا دست پیدا کنید:

انتخاب مقاومت اشتراکی جریان: مقاومت سیمانی 0.3 Ω/5 وات، تضمین می کند که جریان تک لوله از 15 آمپر تجاوز نمی کند.
طراحی اتلاف گرما: مساحت سینک حرارتی بیشتر یا مساوی 200 سانتی متر مربع، دمای محل اتصال<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
عملکرد حفاظتی: دیود TVS (18V/1kW) نوسانات را سرکوب می کند، وریستور (150V) از اضافه ولتاژ جلوگیری می کند
2. ماژول شارژ وسایل نقلیه جدید انرژی
جایگزینی دیودهای سنتی با ماسفت های SiC برای دستیابی به افزونگی کم تلفات:

توپولوژی: برگشت-به-C2M0080120D SiC MOSFET (1200V/80m Ω)
طرح کنترل: درایور LTC4416، با افت ولتاژ هدایت تنها 0.1 ولت
بهبود بهره وری: در مقایسه با محلول های دیود شاتکی، راندمان سیستم از 92% به 96% افزایش یافته است.