Come migliorare la capacità di trasporto di corrente attraverso diodi paralleli?

一, Le basi fisiche e i vantaggi della tecnologia parallela
Il principio fondamentale della connessione in parallelo di diodi si basa sul meccanismo di deviazione della corrente. In teoria, quando N diodi con parametri identici sono collegati in parallelo, la capacità di trasporto di corrente totale può essere aumentata fino a N volte quella di un singolo dispositivo. Ad esempio, in un circuito raddrizzatore da 50 A, utilizzando tre MUR2020 (corrente nominale 20 A) in parallelo è teoricamente possibile ottenere una capacità di elaborazione della corrente di 60 A. Questo metodo di espansione presenta vantaggi significativi:

Ottimizzazione dei costi: rispetto all'utilizzo di un singolo dispositivo ad alta corrente, lo schema parallelo può ridurre i costi combinando dispositivi standard. Ad esempio, un certo progetto di inverter fotovoltaico riduce i costi del 40% mettendo in parallelo quattro diodi Schottky SS34 (corrente nominale 3 A) per sostituire un singolo dispositivo da 12 A.
Progettazione ridondante: le strutture parallele hanno naturalmente tolleranza ai guasti. Quando un diodo si guasta, i restanti componenti possono comunque mantenere una funzionalità parziale, migliorando significativamente l'affidabilità del sistema. Dopo aver adottato uno schema di connessione in parallelo per l'alimentazione dell'UPS in un determinato data center, l'MTBF (tempo medio tra guasti) è stato aumentato a 200.000 ore.
Dissipazione del calore semplificata: la corrente viene dispersa tra più dispositivi, riducendo la densità del calore in un singolo punto, il che è vantaggioso per semplificare la progettazione della dissipazione del calore. In un determinato modulo di ricarica per veicoli elettrici, lo schema parallelo riduce l'area del dissipatore di calore del 30% e controlla l'aumento della temperatura entro 45 gradi.
2, Le sfide principali e i meccanismi di fallimento della progettazione parallela
Sebbene la tecnologia parallela presenti vantaggi significativi, nelle applicazioni pratiche di ingegneria è necessario affrontare due questioni fondamentali:

Distribuzione di corrente non uniforme: a causa delle deviazioni del processo di produzione, anche per diodi dello stesso modello c'è una differenza di oltre 0,1 V nella caduta di tensione diretta (V_F). I dispositivi con una VF inferiore condurranno e sopporteranno preferibilmente più corrente, provocando un surriscaldamento locale. Un test del sistema di monitoraggio delle stringhe fotovoltaiche mostra che i diodi paralleli con una differenza VF di 0,15 V possono raggiungere un rapporto di distribuzione della corrente di 3:1 e l'aumento di temperatura dei dispositivi ad alto carico è di 25 gradi superiore al valore medio.
Rischio di fuga termica: la corrente irregolare può causare un surriscaldamento locale, riducendo ulteriormente la VF del dispositivo e formando un circuito di feedback positivo. In un caso specifico di un alimentatore industriale, uno schema parallelo senza misure di condivisione della corrente ha provocato il guasto dell'intero modulo a causa del surriscaldamento e della combustione di un diodo dopo 2 ore di funzionamento a pieno carico.
3, Strategie di ottimizzazione e pratiche ingegneristiche per la validazione del settore
Per affrontare i problemi sopra menzionati, l’industria ha sviluppato soluzioni di ottimizzazione mature che coprono tre livelli: selezione del dispositivo, progettazione del circuito e gestione termica

1. Selezione e abbinamento del dispositivo
Screening dello stesso lotto: la priorità dovrebbe essere data alla selezione dei dispositivi dallo stesso lotto di produzione e al taglio del wafer per garantire un'elevata coerenza in parametri come VF e tempo di recupero inverso (t_rr). Un certo produttore di inverter fotovoltaici ha rigorosamente schermato e controllato la dispersione VF entro ± 0,05 V.
Priorità dei diodi Schottky: rispetto ai normali diodi a giunzione PN, i diodi Schottky hanno un VF inferiore (0,3-0,6 V) e una migliore coerenza dei parametri. Negli scenari a bassa tensione e corrente elevata (come i moduli di ricarica da 12 V/20 A), lo schema parallelo Schottky migliora l'effetto di condivisione della corrente di oltre il 50% rispetto ai diodi ordinari.
Dispositivi di confezionamento multi-chip: l'utilizzo di pacchetti multi-chip che hanno già completato la corrispondenza parallela internamente (come il doppio confezionamento Schottky), può semplificare la progettazione di circuiti esterni. Dopo aver adottato tali dispositivi in ​​un determinato progetto di potenza di comunicazione, l'area del PCB è stata ridotta del 40% e l'efficienza dell'assemblaggio è stata migliorata del 30%.
2. Ottimizzazione della progettazione del circuito
Design del resistore di condivisione della corrente: collegare piccoli resistori di resistenza (solitamente 0,1-0,5 Ω) in serie con ciascun diodo per ottenere il bilanciamento della corrente attraverso la caduta di tensione del resistore. Maggiore è la corrente, minore deve essere il valore della resistenza. Ad esempio, in un circuito parallelo da 100 A, selezionando un resistore di condivisione della corrente da 0,1 Ω è possibile controllare la deviazione della distribuzione della corrente entro ± 5%.
Tecnologia di condivisione di corrente attiva: per scenari di domanda ad alta-precisione, è possibile adottare uno schema di condivisione di corrente dinamica che utilizza MOSFET paralleli. Rilevando la corrente di ciascun ramo e regolando il MOSFET sulla resistenza in tempo reale-, è possibile ottenere una condivisione precisa della corrente. Dopo aver adottato questo schema, la precisione di condivisione della corrente di un determinato alimentatore del server è stata migliorata a ± 2% e la perdita di efficienza è stata ridotta a meno dello 0,5%.
Ottimizzazione del layout e del cablaggio: garantisce un layout simmetrico dei dispositivi in ​​parallelo, accorcia i percorsi di corrente e riduce le differenze di induttanza parassita. Le specifiche di progettazione per una determinata stazione di ricarica per veicoli elettrici richiedono che la differenza di lunghezza dei pin paralleli dei diodi non superi 0,5 mm per ridurre lo squillo di tensione in caso di commutazione ad alta-frequenza.
3. Rafforzare la gestione termica
Ottimizzazione della struttura di dissipazione del calore: materiali come piastre riscaldanti uniformi e grasso siliconico termoconduttivo vengono utilizzati per migliorare l'efficienza della conduttività termica. Un certo inverter fotovoltaico migliora l'uniformità dell'aumento della temperatura di 20 gradi ponendo una piastra di distribuzione del calore sotto diodi paralleli.
Simulazione e verifica termica: esegui simulazioni termiche utilizzando strumenti come ANSYS Icepak per ottimizzare le dimensioni del dissipatore di calore e la velocità della ventola. Un determinato progetto di energia industriale ha ridotto i costi di dissipazione del calore del 15% attraverso la simulazione, rispettando allo stesso tempo lo standard di test di shock termico IEC 60068-2-1.
Monitoraggio della temperatura in tempo reale: installa il termistore NTC sulla superficie dei componenti chiave, combinato con l'MCU per ottenere protezione dal surriscaldamento. Grazie a questa soluzione, l'alimentatore UPS del data center ha ridotto il tempo di risposta al guasto a meno di 10 ms.
4, Scenari applicativi tipici e analisi dei vantaggi
1. Raddrizzamento secondario dell'inverter fotovoltaico
In un inverter di stringa, il raddrizzatore secondario deve gestire una corrente di 10-30 A. Dopo aver adottato lo schema dei diodi Schottky paralleli:

Miglioramento dell'efficienza: la perdita di conduzione è stata ridotta da 11 W (tubo a recupero rapido ordinario) a 5 W (tubo Schottky), con un conseguente aumento dell'efficienza di 6 punti percentuali.
Miglioramento dell'affidabilità: l'MTBF è aumentato da 150.000 a 250.000 ore e il tasso di guasto annuale è diminuito del 60%.
Ottimizzazione dei costi: riduzione dei costi della distinta base per un singolo inverter
8. Calcolato sulla base di una produzione annua di 100.000 unità, si ottengono risparmi sui costi annuali
800000.
2. Modulo di ricarica per veicoli elettrici
In una stazione di ricarica CA da 7 kW, sia lo stadio boost PFC che lo stadio raddrizzatore di uscita richiedono diodi paralleli:

Miglioramento della densità di potenza: mettendo in parallelo i diodi Schottky al carburo di silicio, la densità di potenza aumenta da 0,5 kW/L a 0,8 kW/L e il volume viene ridotto del 37,5%.
Miglioramento delle prestazioni EMC: tempo di ripristino inverso ridotto da 50 ns (tubo di recupero ultraveloce) a 0 ns (tubo Schottky), rumore EMI ridotto di 10 dB.
Riduzione dei costi dell'intero ciclo di vita: sebbene il costo di un singolo dispositivo aumenti del 20%, il miglioramento dell'efficienza del sistema e la diminuzione dei costi di dissipazione del calore si traducono in una riduzione del 15% del costo totale di proprietà (TCO) a 5 anni.
3. Rettifica ad alta frequenza dell'alimentazione industriale
In un alimentatore per comunicazioni da 48 V/100 A, viene adottato uno schema di diodi di recupero ultraveloce parallelo:

Perdite di commutazione ridotte: il t-rr è diminuito da 300 ns a 50 ns, riducendo le perdite di commutazione dell'80% e aumentando l'efficienza dal 92% al 95%.
Soppressione del ripple in uscita: il picco della corrente di recupero inverso viene ridotto da 5 A a 1 A e la tensione di ripple in uscita viene ridotta da 200 mV a 50 mV.
Tasso di superamento della certificazione migliorato: soddisfa i requisiti dei test di sovratensione della norma IEC 61000-4-5 e il tasso di primo passaggio del prodotto è aumentato dal 70% al 95%.