Come progettare una struttura in parallelo di diodi in un sistema energetico ridondante?

一, Selezione del dispositivo: corrispondenza dei parametri basata sulla scena
1. Controllo della capacità e della discretezza della corrente
I sistemi ridondanti devono far fronte a scenari di guasto di singoli moduli e i diodi paralleli devono soddisfare i seguenti requisiti:

Ridondanza di corrente nominale: la corrente nominale di un singolo tubo deve essere maggiore o uguale alla corrente di carico massima del sistema/(numero di connessioni parallele x 0,8), con un margine di sicurezza riservato del 20%. Ad esempio, in un sistema da 48 V/20 A in cui 4 tubi sono collegati in parallelo, è necessario selezionare un modello a tubo singolo da 30 A o superiore.
Consistenza della caduta di tensione diretta: la dispersione Vf dei diodi Schottky deve essere inferiore o uguale al 5% per evitare squilibrio nella distribuzione della corrente causato da differenze nella caduta di tensione di conduzione. In un caso OBC di un nuovo veicolo energetico, quattro diodi Schottky da 30 A con una deviazione Vf di ± 0,1 V sono stati collegati in parallelo e un resistore di condivisione della corrente da 0,2 Ω è stato utilizzato per ottenere una deviazione di corrente di<± 5% in the entire temperature range.
2. Caratteristiche inverse ed esigenze di protezione
Margine di tensione di resistenza inversa: il VRRM del diodo deve essere maggiore o uguale a 1,5 volte la tensione massima del sistema. Ad esempio, in un sistema fotovoltaico connesso alla rete, la tensione a circuito aperto del pannello solare può raggiungere 1000 V e devono essere selezionati diodi TVS con VRRM maggiore o uguale a 1500 V.
Ottimizzazione del tempo di recupero inverso: diodi a recupero ultrarapido con 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, Progettazione della topologia: bilanciamento di ridondanza e isolamento
1. Architettura di condivisione della corrente parallela
Schema di condivisione corrente passiva: il bilanciamento della corrente si ottiene collegando in serie resistori di condivisione corrente a bassa induttanza da 0,1-0,5 Ω. Un certo alimentatore PLC industriale adotta un design parallelo a doppio tubo e il ramo di backup può essere collegato entro 10 μs quando il tubo principale si guasta. Il consumo energetico del resistore di condivisione della corrente è controllato entro 0,5 W.
Schema di condivisione di corrente attiva: utilizzando chip di condivisione di corrente attiva come LTC4370, la distribuzione dinamica della corrente si ottiene regolando la tensione di gate. In un caso di alimentazione di un data center, un sistema parallelo a 4 tubi ha raggiunto un errore di distribuzione della corrente di carico<± 2% through active current sharing control.
2. Progettazione di isolamento ridondante
N+1 topologia ridondante: il modulo principale e il modulo di backup sono isolati da diodi per garantire che un guasto di un singolo modulo non influisca sull'output del sistema. L'alimentazione di una determinata apparecchiatura medica adotta un design di ridondanza 3+1 e il modulo di backup è isolato dal circuito principale tramite diodi, con un tempo di commutazione del guasto inferiore a 50 μ s.
Soluzione di sostituzione MOSFET back to back: negli scenari che richiedono l'isolamento bidirezionale, due MOSFET a canale N-sono collegati back{1}}contro-back e combinati con il chip di controllo LTC4416 per ottenere un isolamento a bassa perdita. Nel caso di un alimentatore per server, questa soluzione ha ridotto la caduta di tensione di conduzione da 0,45 V a 0,03 V, con un conseguente aumento dell'efficienza del 12%.
3, Gestione termica: sinergia tra dissipazione del calore e affidabilità
1. Calcolo del consumo energetico e progettazione della dissipazione del calore
Calcolo della perdita di conduzione: P=Vf × Iavg, i diodi a bassa Vf dovrebbero avere la priorità per scenari a corrente elevata. Ad esempio, con una corrente di 12 A, il consumo energetico di un diodo Schottky da 0,45 V raggiunge 5,4 W ed è necessario installare un dissipatore di calore; Il diodo Schottky SiC da 0,3 V ha un consumo energetico di soli 3,6 W e può dissipare il calore in modo naturale.
Controllo della resistenza termica: utilizzo di un imballaggio a bassa resistenza termica (come un imballaggio TO-220 con R θ JA=40 gradi/W), combinato con grasso siliconico termoconduttivo per controllare la temperatura di giunzione inferiore a 125 gradi. In un caso di studio di un modulo di ricarica per veicoli elettrici, l'aumento della temperatura del diodo è stato ridotto da 45 gradi a 25 gradi ottimizzando l'area della lamina di rame del PCB (maggiore o uguale a 100 mm²/A).
2. Ottimizzazione del layout e soppressione dei parametri parassiti
Controllo dell'induttanza parassita: durante il layout del PCB, la lunghezza del percorso dei pin del diodo dovrebbe essere<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%.
Progettazione dell'accoppiamento termico: negli scenari ad alta densità di potenza, viene utilizzato un design comune del dissipatore di calore per garantire il bilanciamento della temperatura dei diodi paralleli. In un determinato caso di alimentatore per comunicazioni, la deviazione della temperatura di giunzione è stata ridotta da 15 gradi a 5 gradi installando quattro diodi strettamente contro il dissipatore di calore.
4. Verifica tecnica: ciclo chiuso-dalla simulazione alla misurazione effettiva
1. Verifica della simulazione
Simulazione del modello SPICE: definizione di un modello LTspice per circuiti paralleli a diodi per verificare l'effetto di condivisione della corrente e la distribuzione termica. In un caso specifico di alimentazione di energia aeronautica, attraverso la simulazione è stato riscontrato uno squilibrio di corrente del 20% nei diodi paralleli. Dopo aver ottimizzato i parametri di resistenza alla condivisione corrente, lo squilibrio è stato ridotto al 5%.
Analisi di simulazione termica: FloTHERM e altri strumenti vengono utilizzati per simulare il percorso di dissipazione del calore e ottimizzare la struttura del dissipatore di calore. In un caso di studio di un alimentatore per trasporti ferroviari, l'altezza delle alette del dissipatore di calore è stata regolata da 15 mm a 20 mm attraverso la simulazione, riducendo la temperatura massima di giunzione da 130 gradi a 115 gradi.
2. Test di affidabilità
Test HALT: verifica i limiti di progettazione attraverso test di durata ad alta accelerazione. In un caso di alimentazione militare, la struttura in parallelo dei diodi non ha ceduto dopo 1000 cicli di cicli di temperatura da -40 gradi a +125 gradi.
Test EMC: verificare se il rumore generato dal recupero inverso del diodo soddisfa lo standard. In un caso di studio relativo all'alimentatore di un dispositivo medico, un condensatore da 100 pF è stato collegato in parallelo al diodo per ridurre l'interferenza irradiata da 45 dB μ V a 35 dB μ V.
5, Casi applicativi tipici
1. Alimentazione ridondante per stazioni base di comunicazione
Utilizzando 4 alimentatori paralleli da 20A, ciascuno isolato da diodi Schottky SR1660 (16A/60V). Realizza un'elevata affidabilità attraverso il seguente design:

Selezione del resistore di condivisione della corrente: resistore di cemento da 0,3 Ω/5 W, che garantisce che la corrente del singolo tubo non superi 15 A
Design di dissipazione del calore: area del dissipatore di calore maggiore o uguale a 200 cm², temperatura di giunzione<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Funzione di protezione: il diodo TVS (18 V/1 kW) sopprime le sovratensioni, il varistore (150 V) impedisce la sovratensione
2. Modulo di ricarica per veicoli a nuova energia
Sostituzione dei diodi tradizionali con MOSFET SiC per ottenere ridondanza a basse perdite:

Topologia: back-to-back C2M0080120D SiC MOSFET (1200 V/80 m Ω)
Schema di controllo: driver LTC4416, con una caduta di tensione di conduzione di soli 0,1 V
Miglioramento dell'efficienza: rispetto alle soluzioni con diodi Schottky, l'efficienza del sistema è aumentata dal 92% al 96%