چگونه با استفاده از دیودها راندمان تبدیل انرژی شبکه انرژی را بهینه کنیم؟

一، انتخاب فناوری: تطبیق دقیق سناریوهای برنامه
1. اینورتر فتوولتائیک: انقلاب کم تلفات دیودهای شاتکی
اینورترهای فتوولتائیک نیاز به تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب دارند و کارایی آنها مستقیماً بر میزان برق تولیدی تأثیر می گذارد. دیودهای یکسو کننده سیلیکونی سنتی در هنگام سوئیچینگ فرکانس بالا به دلیل افت ولتاژ رو به جلو (VF) 0.7 ولت و زمان بازیابی معکوس سطح میکروثانیه (Trr) تلفات قابل توجهی را تجربه می کنند. دیودهای شاتکی یک ساختار اتصال نیمه هادی فلزی با VF کمتر از 0.2-0.4 ولت و Trr نزدیک به صفر دارند که آنها را به انتخاب ترجیحی برای اینورترهای فتوولتائیک تبدیل می کند.

مورد: یک سیستم فتوولتائیک خاص از دیودهای شاتکی با VF=0.3V به جای لوله‌های سیلیکونی با VF=0.7V استفاده می‌کند. در جریان 20 آمپر، از دست دادن هدایت یک لوله منفرد از 14 وات به 8 وات کاهش می یابد و راندمان سیستم 1.2٪ بهبود می یابد. اگر برای یک نیروگاه فتوولتائیک 100 مگاواتی اعمال شود، تولید برق سالانه می تواند حدود 1.2 میلیون کیلووات ساعت افزایش یابد که معادل کاهش انتشار کربن به میزان 840 تن است.

2. مبدل قدرت باد: بهینه سازی پاسخ پویا دیود بازیابی سریع
اینورتر یک توربین بادی نیاز به کنترل جریان متناوب با نوسان زیاد دارد و نیازهای بسیار بالایی برای ویژگی های بازیابی معکوس دیودها دارد. دیود بازیابی سریع Trr را از طریق یک ساختار پین به 50-500 ثانیه کوتاه می‌کند، و به طور موثر زنگ‌های فرکانس بالا را سرکوب می‌کند و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش می‌دهد.

مورد: یک پروژه خاص نیروی بادی دریایی از دیود بازیابی سریع MUR860 (Trr=50ns) استفاده می‌کند، که بازده PFC را 2% در یکسوسازی ثانویه مبدل بهبود می‌بخشد، در حالی که نیاز به خازن‌های موازی آزاد و هزینه‌های سیستم را تا 15% کاهش می‌دهد.

3. شارژ وسیله نقلیه الکتریکی: جهش بهره وری از فناوری اصلاح همزمان
ایستگاه های شارژ خودروهای الکتریکی نیاز به تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم دارند. راندمان یکسوسازی دیودهای سنتی حدود 85 درصد است، در حالی که فناوری یکسوسازی همزمان می‌تواند با جایگزینی دیودها با ماسفت‌ها راندمان را تا 98 درصد افزایش دهد. با این حال، در کاربردهای فرکانس بالا، دیودهای شاتکی همچنان به عنوان اجزای محافظ جلویی برای یکسوسازی همزمان عمل می‌کنند و از افزایش جریان معکوس جلوگیری می‌کنند.

مورد: یک پلت فرم شارژ ولتاژ بالا 800 ولتی از دیود شاتکی HFA08TB60 (8A/600V، Trr=25ns) استفاده می‌کند. در ماژول DC{8}}DC buck، همراه با فناوری اصلاح همزمان، راندمان شارژ از 92٪ به 95٪ بهبود یافته است و زمان شارژ یکباره 10 دقیقه کاهش می یابد.

2، طراحی مدار: بهینه سازی سطح سیستم برای کاهش تلفات
1. نوآوری توپولوژی: اصلاح پل و فناوری سوئیچینگ نرم
راندمان یکسوسازی نیمه موج سنتی تنها 45 درصد است در حالی که راندمان یکسوسازی موج کامل به 81 درصد افزایش یافته است. یکسوسازی پل، استفاده کامل از موج را از طریق ساختار چهار لوله ای، با راندمان بیش از 90 درصد به دست می آورد. ترکیب فناوری سوئیچینگ نرم (مانند سوئیچینگ ولتاژ صفر ZVS) می تواند تلفات بازیابی معکوس دیود را کاهش دهد.

مورد: یک سیستم ذخیره انرژی خاص از یک مدار یکسو کننده پل سوئیچینگ نرم، همراه با دیودهای SiC Schottky استفاده می کند. در فرکانس 100 کیلوهرتز، راندمان یکسوسازی از 92٪ به 96٪ افزایش می یابد و حجم سیستم 30٪ کاهش می یابد.

2. طراحی اتلاف گرما: کنترل مقاومت حرارتی و بهینه سازی بسته بندی
در طول عملیات جریان بالا، گرم شدن دیودها عامل اصلی کاهش بازده است. بسته بندی با مقاومت حرارتی پایین (مانند TO-247، DPAK) همراه با اتلاف گرمای خنک کننده مایع می تواند دمای اتصال را زیر 150 درجه کنترل کند و عمر دستگاه را افزایش دهد.

مورد: یک اینورتر فتوولتائیک خاص از دیودهای Schottky بسته بندی شده DPAK، جفت شده با صفحات خنک شونده با مایع استفاده می کند و می تواند به طور مداوم به مدت 100000 ساعت بدون خرابی در دمای محیط 40 درجه کار کند، با طول عمر سه برابر بیشتر از راه حل های خنک کننده هوای سنتی.

3. سرکوب EMI: بسته بندی و فیلتر با ظرفیت کم
سوئیچینگ سریع دیودهای شاتکی ممکن است صدایی با فرکانس{0} بالا ایجاد کند و از طریق بسته‌بندی Qrr پایین (بازیابی شارژ معکوس) و مدارهای فیلتر LC، سرکوب EMI لازم است.

مورد: یک ماژول شارژ خودروی الکتریکی خاص از دیودهای شاتکی با ظرفیت کم (Cj) استفاده می کند<50pF), combined with common mode inductors, to reduce conducted interference to below CISPR 25 standard, and has passed the vehicle regulatory level certification.

3، نوآوری مواد: پیشرفت نیمه هادی های نسل سوم
1. دیود سیلیکون کاربید (SiC): مزایای دوگانه دمای بالا و فرکانس بالا
دیودهای SiC می‌توانند تا دمای 200 درجه را تحمل کنند و زمان بازیابی معکوس فقط 1/10 دستگاه‌های سیلیکونی دارند، که آن‌ها را برای سناریوهای دمای بالا و فرکانس بالا مناسب می‌کند.

مورد: اینورتر برق بادی از دیودهای SiC Schottky استفاده می کند که بازدهی 2% بیشتر از دستگاه های سیلیکونی در دمای اتصال 150 درجه دارد و وزن سیستم را تا 40% کاهش می دهد. برای سکوهای نیروی باد شناور دریایی مناسب است.

2. دیود گالیوم نیترید (GaN): پتانسیل برای کاربردهای فرکانس فوق العاده بالا
دیودهای GaN تحرک الکترون بالاتری دارند و می‌توانند فرکانس سوئیچینگ سطح مگاهرتز را به دست آورند، اما در حال حاضر هزینه‌های بالاتری دارند و عمدتاً در پروژه‌های نمایش سطح آزمایشگاهی استفاده می‌شوند.

مورد: یک یکسو کننده مبتنی بر GaN که توسط یک موسسه تحقیقاتی ساخته شده است، دارای راندمان 97٪ در فرکانس 1 مگاهرتز است که امکان فناوری شارژ فوق العاده با سرعت بالا را در آینده فراهم می کند.

4، روندها و چالش های صنعت
یکپارچه‌سازی فناوری: ترکیبی از دیودها و الگوریتم‌های هوش مصنوعی، از طریق نظارت{0}زمان واقعی دمای محل اتصال و نوسانات جریان، پارامترهای کاری را به صورت پویا تنظیم می‌کند تا به حداکثر بازدهی دست یابد.
ارتقای استانداردسازی: IEC 62933 و سایر استانداردها الزامات سخت گیرانه تری را برای مقاومت در برابر ولتاژ دیود و جریان نشتی معکوس مطرح کرده اند و توسعه صنعت را به سمت قابلیت اطمینان بالا ارتقا می دهند.
بازی هزینه: هزینه دستگاه‌های SiC/GaN 3-5 برابر دستگاه‌های سیلیکونی است و باید از طریق تولید در مقیاس بزرگ قیمت‌ها را کاهش داد. پیش بینی می شود که سهم بازار تا سال 2030 به 30 درصد افزایش یابد.