Kako dizajnirati diodnu paralelnu strukturu u redundantnom energetskom sustavu?

一, Odabir uređaja: podudaranje parametara na temelju scene
1. Kontrola kapaciteta struje i diskretnosti
Redundantni sustavi moraju se nositi sa scenarijima kvara jednog modula, a paralelne diode moraju ispunjavati sljedeće zahtjeve:

Redundancija nazivne struje: Nazivna struja jedne cijevi trebala bi biti veća ili jednaka maksimalnoj struji opterećenja sustava/(broj paralelnih veza x 0,8), s rezerviranom sigurnosnom marginom od 20%. Na primjer, u sustavu od 48 V/20 A gdje su 4 cijevi spojene paralelno, treba odabrati model s jednom cijevi od 30 A ili više.
Konzistentnost pada napona prema naprijed: Vf disperzija Schottky dioda trebala bi biti manja ili jednaka 5% kako bi se izbjegla neravnoteža distribucije struje uzrokovana razlikama u padu napona provođenja. U kućištu OBC novog energetskog vozila, četiri Schottky diode od 30 A s Vf odstupanjem od ± 0,1 V spojene su paralelno, a otpornik za dijeljenje struje od 0,2 Ω korišten je za postizanje odstupanja struje od<± 5% in the entire temperature range.
2. Obrnute karakteristike i zahtjevi zaštite
Granica obrnutog otpornog napona: VRRM diode mora biti veći ili jednak 1,5 puta maksimalnom naponu sustava. Na primjer, u sustavu povezanom s fotonaponskom mrežom, napon otvorenog kruga solarne ploče može doseći 1000 V, a potrebno je odabrati TVS diode s VRRM većim ili jednakim 1500 V.
Optimizacija obrnutog vremena oporavka: Ultra brze diode za oporavak 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, Dizajn topologije: balansiranje redundantnosti i izolacije
1. Arhitektura paralelnog dijeljenja struje
Pasivna shema dijeljenja struje: Uravnoteženje struje postiže se serijskim spajanjem otpornika za dijeljenje struje niske induktivnosti od 0,1-0,5 Ω. Određeni industrijski PLC izvor napajanja ima paralelni dizajn s dvostrukom cijevi, a pomoćna grana može se spojiti unutar 10 μs kada glavna cijev zakaže. Potrošnja struje otpornika za dijeljenje struje kontrolira se unutar 0,5 W.
Shema dijeljenja aktivne struje: korištenjem čipova za dijeljenje aktivne struje kao što je LTC4370, dinamička raspodjela struje postiže se podešavanjem napona vrata. U slučaju napajanja podatkovnog centra, paralelni sustav s 4 cijevi postigao je pogrešku raspodjele struje opterećenja<± 2% through active current sharing control.
2. Redundantni dizajn izolacije
N+1 redundantna topologija: glavni modul i pomoćni modul izolirani su diodama kako bi se osiguralo da kvar jednog modula ne utječe na izlaz sustava. Napajanje određene medicinske opreme ima 3+1 redundantni dizajn, a pomoćni modul je izoliran od glavnog strujnog kruga putem dioda, s vremenom preklapanja kvara manjim od 50 μs.
Back to back MOSFET zamjensko rješenje: U scenarijima koji zahtijevaju dvosmjernu izolaciju, dva N-kanalna MOSFET-a povezana su straga-na-straga i kombinirana s LTC4416 kontrolnim čipom kako bi se postigla izolacija s malim gubicima. U slučaju napajanja poslužitelja, ovo je rješenje smanjilo pad napona kondukcije s 0,45 V na 0,03 V, što je rezultiralo povećanjem učinkovitosti od 12%.
3, Upravljanje toplinom: sinergija između rasipanja topline i pouzdanosti
1. Proračun potrošnje energije i dizajn odvođenja topline
Izračun gubitka vodljivosti: P=Vf × Iavg, diode s niskim Vf trebale bi imati prioritet za scenarije visoke struje. Na primjer, pod strujom od 12 A, potrošnja energije Schottky diode od 0,45 V doseže 5,4 W, a potrebno je instalirati hladnjak; SiC Schottky dioda od 0,3 V troši samo 3,6 W i može prirodno odvoditi toplinu.
Kontrola toplinskog otpora: Korištenje pakiranja niske toplinske otpornosti (kao što je TO-220 pakiranje s R θ JA=40 stupanj /W), u kombinaciji s toplinski vodljivom silikonskom mašću za kontrolu temperature spoja ispod 125 stupnjeva. U studiji slučaja modula za punjenje električnog vozila, porast temperature diode smanjen je sa 45 stupnjeva na 25 stupnjeva optimizacijom površine PCB bakrene folije (veća ili jednaka 100 mm²/A).
2. Optimizacija izgleda i suzbijanje parazitskih parametara
Kontrola parazitske induktivnosti: Kod rasporeda PCB-a, duljina usmjeravanja pinova diode trebala bi 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 toplinske spojke: U scenarijima visoke gustoće snage koristi se zajednički dizajn hladnjaka kako bi se osigurala temperaturna ravnoteža paralelnih dioda. U određenom slučaju komunikacijskog napajanja, odstupanje temperature spoja je smanjeno sa 15 stupnjeva na 5 stupnjeva instaliranjem četiri diode čvrsto uz hladnjak.
4, Inženjerska provjera: zatvorena-petlja od simulacije do stvarnog mjerenja
1. Provjera simulacije
Simulacija SPICE modela: Uspostavite LTspice model za diodne paralelne krugove za provjeru učinka dijeljenja struje i toplinske distribucije. U određenom slučaju zrakoplovnog napajanja, simulacijom je utvrđeno da postoji 20% neravnoteže struje u paralelnim diodama. Nakon optimizacije parametara otpora dijeljenja struje, neravnoteža je smanjena na 5%.
Analiza toplinske simulacije: FloTHERM i drugi alati koriste se za simulaciju putanje rasipanja topline i optimizaciju strukture hladnjaka. U studiji slučaja napajanja željezničkog tranzita, visina rebara hladnjaka prilagođena je s 15 mm na 20 mm kroz simulaciju, smanjujući maksimalnu temperaturu spoja sa 130 stupnjeva na 115 stupnjeva.
2. Ispitivanje pouzdanosti
HALT testiranje: Provjerite ograničenja dizajna kroz ispitivanje životnog vijeka pri velikom ubrzanju. U slučaju vojnog napajanja, diodna paralelna struktura nije otkazala nakon 1000 ciklusa temperaturnih ciklusa od -40 stupnjeva do +125 stupnjeva.
Ispitivanje elektromagnetske kompatibilnosti: provjerite zadovoljava li šum koji stvara povratni oporavak diode standard. U studiji slučaja napajanja medicinskog uređaja, kondenzator od 100 pF spojen je paralelno preko diode kako bi se smanjile zračene smetnje s 45 dB μ V na 35 dB μ V.
5, Tipični slučajevi primjene
1. Redundantno napajanje za komunikacijske bazne stanice
Korištenje 4 paralelna napajanja od 20A, svaki izoliran SR1660 Schottky diodama (16A/60V). Ostvarite visoku pouzdanost kroz sljedeći dizajn:

Odabir otpornika za dijeljenje struje: cementni otpornik od 0,3 Ω/5 W, osiguravajući da struja jedne cijevi ne prelazi 15 A
Dizajn rasipanja topline: površina hladnjaka veća 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 novih energetskih vozila
Zamjena tradicionalnih dioda s SiC MOSFET-ima kako bi se postigla redundancija s malim gubicima:

Topologija: leđa-na-straga C2M0080120D SiC MOSFET (1200V/80m Ω)
Upravljačka shema: LTC4416 driver, s padom napona provođenja od samo 0,1 V
Poboljšanje učinkovitosti: U usporedbi s rješenjima s Schottky diodom, učinkovitost sustava povećana je s 92% na 96%