Ako navrhnúť diódovú paralelnú štruktúru v redundantnom energetickom systéme?

一, Výber zariadenia: Priraďovanie parametrov podľa scény
1. Prúdová kapacita a kontrola diskrétnosti
Redundantné systémy sa musia vyrovnať so scenármi zlyhania jedného modulu a paralelné diódy musia spĺňať nasledujúce požiadavky:

Redundancia menovitého prúdu: Menovitý prúd jednej trubice by mal byť väčší alebo rovný maximálnemu zaťažovaciemu prúdu systému/(počet paralelných pripojení x 0,8) s rezervou 20 %. Napríklad v systéme 48V/20A, kde sú paralelne zapojené 4 potrubia, by sa mal zvoliť model s jedným potrubím 30A alebo vyšší.
Konzistencia poklesu napätia vpred: Disperzia Vf Schottkyho diód by mala byť menšia alebo rovná 5 %, aby sa zabránilo nerovnováhe distribúcie prúdu spôsobenej rozdielmi v poklese napätia vo vedení. V novom puzdre OBC energetického vozidla boli paralelne zapojené štyri 30A Schottkyho diódy s odchýlkou ​​Vf ± 0,1 V a na dosiahnutie prúdovej odchýlky 0,2 Ω bol použitý rezistor zdieľania prúdu.<± 5% in the entire temperature range.
2. Reverzné charakteristiky a požiadavky na ochranu
Reverzná rezerva výdržného napätia: Dióda VRRM musí byť väčšia alebo rovná 1,5-násobku maximálneho systémového napätia. Napríklad vo fotovoltaickom systéme pripojenom k ​​sieti môže napätie naprázdno solárneho panelu dosiahnuť 1000 V a je potrebné zvoliť diódy TVS s VRRM Väčšie alebo rovné 1500 V.
Reverzná optimalizácia doby zotavenia: Ultra rýchle diódy obnovy s 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, Návrh topológie: Vyváženie redundancie a izolácie
1. Architektúra zdieľania paralelného prúdu
Schéma zdieľania pasívneho prúdu: Vyváženie prúdu sa dosiahne zapojením rezistorov zdieľania prúdu s nízkou indukčnosťou 0,1-0,5 Ω do série. Určité priemyselné napájanie PLC využíva paralelný dizajn s dvoma trubicami a záložnú vetvu je možné pripojiť do 10 μs, keď zlyhá hlavná trubica. Spotreba energie rezistora zdieľania prúdu je riadená v rozmedzí 0,5 W.
Schéma aktívneho zdieľania prúdu: pomocou aktívnych čipov zdieľania prúdu, ako je LTC4370, sa dynamická distribúcia prúdu dosahuje úpravou napätia brány. V prípade napájacieho zdroja dátového centra dosiahol 4-trubkový paralelný systém chybu rozloženia záťažového prúdu<± 2% through active current sharing control.
2. Návrh redundantnej izolácie
N+1 redundantná topológia: Hlavný modul a záložný modul sú izolované diódami, aby sa zabezpečilo, že porucha jedného modulu neovplyvní výstup systému. Napájací zdroj určitého zdravotníckeho zariadenia využíva redundantný dizajn 3+1 a záložný modul je izolovaný od hlavného obvodu pomocou diód, pričom doba spínania poruchy je kratšia ako 50 μs.
Riešenie nahradenia MOSFET chrbtom k sebe: V scenároch, ktoré vyžadujú obojsmernú izoláciu, sú dva N{0}}kanálové MOSFETy navzájom prepojené--za sebou a kombinované s riadiacim čipom LTC4416, aby sa dosiahla izolácia s nízkou stratou. V prípade serverového zdroja toto riešenie znížilo pokles vodivého napätia z 0,45 V na 0,03 V, čo viedlo k zvýšeniu účinnosti o 12 %.
3, Tepelný manažment: synergia medzi odvodom tepla a spoľahlivosťou
1. Výpočet spotreby energie a návrh odvodu tepla
Výpočet straty vedenia: P=Vf × Iavg, pre scenáre s vysokým prúdom by sa mali uprednostniť diódy s nízkym Vf. Napríklad pri prúde 12 A dosiahne spotreba 0,45 V Schottkyho diódy 5,4 W a je potrebné nainštalovať chladič; 0,3V SiC Schottkyho dióda má spotrebu len 3,6W a dokáže odvádzať teplo prirodzene.
Kontrola tepelného odporu: Použitie obalov s nízkym tepelným odporom (ako je obal TO-220 s R θ JA=40 stupňom /W) v kombinácii s tepelne vodivým silikónovým mazivom na kontrolu teploty spoja pod 125 stupňov . V prípadovej štúdii nabíjacieho modulu elektrického vozidla sa zvýšenie teploty diódy znížilo zo 45 stupňov na 25 stupňov optimalizáciou plochy medenej fólie PCB (väčšie alebo rovné 100 mm²/A).
2. Optimalizácia rozloženia a potlačenie parazitných parametrov
Riadenie parazitnej indukčnosti: Pri usporiadaní PCB by mala byť dĺžka vedenia diódového kolíka<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%.
Návrh tepelnej väzby: V scenároch s vysokou hustotou výkonu sa na zabezpečenie teplotnej rovnováhy paralelných diód používa spoločný dizajn chladiča. V určitom prípade komunikačného napájacieho zdroja sa odchýlka teploty prechodu znížila z 15 stupňov na 5 stupňov inštaláciou štyroch diód tesne proti chladiču.
4, Technické overenie: uzavretý-cyklus od simulácie po skutočné meranie
1. Overenie simulácie
Simulácia modelu SPICE: Vytvorte model LTspice pre diódové paralelné obvody na overenie efektu zdieľania prúdu a tepelnej distribúcie. V určitom prípade leteckého napájacieho zdroja sa pomocou simulácie zistilo, že v paralelných diódach existuje 20% nerovnováha prúdu. Po optimalizácii aktuálnych parametrov deliaceho odporu sa nerovnováha znížila na 5 %.
Tepelná simulačná analýza: FloTHERM a ďalšie nástroje sa používajú na simuláciu cesty odvodu tepla a optimalizáciu štruktúry chladiča. V prípadovej štúdii napájacieho zdroja pre železničnú dopravu bola pomocou simulácie upravená výška rebier chladiča z 15 mm na 20 mm, čím sa znížila maximálna teplota spoja zo 130 stupňov na 115 stupňov.
2. Testovanie spoľahlivosti
Testovanie HALT: Overte konštrukčné limity testovaním životnosti pri vysokej akcelerácii. V prípade vojenského napájacieho zdroja paralelná štruktúra diód nezlyhala ani po 1 000 cykloch teplotných cyklov z -40 stupňov na +125 stupňov .
Testovanie EMC: Overte, či šum generovaný reverznou obnovou diódy spĺňa normu. V prípadovej štúdii napájacieho zdroja zdravotníckeho zariadenia bol cez diódu paralelne zapojený kondenzátor 100pF, aby sa znížilo vyžarované rušenie zo 45dB μV na 35dB μV.
5, Typické prípady použitia
1. Redundantné napájanie pre komunikačné základňové stanice
Použitie 4 paralelných 20A napájacích zdrojov, každý izolovaný SR1660 Schottkyho diódami (16A/60V). Dosiahnite vysokú spoľahlivosť vďaka nasledujúcemu dizajnu:

Výber rezistora zdieľajúceho prúd: 0,3 Ω/5W cementový odpor, ktorý zabezpečuje, že prúd jednej trubice neprekročí 15A
Dizajn odvodu tepla: plocha chladiča väčšia alebo rovná 200 cm², teplota spoja<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Ochranná funkcia: TVS dióda (18V/1kW) potláča prepätia, varistor (150V) zabraňuje prepätiu
2. Nabíjací modul pre nové energetické vozidlá
Výmena tradičných diód za SiC MOSFET s cieľom dosiahnuť redundanciu s nízkou stratou:

Topológia: späť-do{1}}späť C2M0080120D SiC MOSFET (1200V/80m Ω)
Schéma ovládania: budič LTC4416, s úbytkom napätia vo vedení len 0,1V
Zlepšenie účinnosti: V porovnaní s riešeniami Schottkyho diód sa účinnosť systému zvýšila z 92 % na 96 %.