Come proteggere i diodi nelle apparecchiature energetiche ad alta temperatura e umidità elevata?

一, Selezione del materiale: adatto per dispositivi resistenti all'umidità, al calore e alle alte temperature
1. Ottimizzazione dei materiali di imballaggio
In ambienti ad alta temperatura e umidità elevata, gli imballaggi tradizionali in resina epossidica sono soggetti a delaminazione o effetto popcorn a causa dell'infiltrazione di vapore acqueo. I diodi di livello industriale sono confezionati in silicone o ceramica, che possono migliorare significativamente la loro resistenza all'umidità e al calore. Ad esempio, un certo progetto di inverter fotovoltaico ha selezionato diodi Schottky incapsulati in ceramica. Dopo un funzionamento continuo per 1.000 ore nel test doppio 85 (85 gradi/85% di umidità relativa), non si è verificato alcun fenomeno di delaminazione all'interno della confezione, mentre i normali dispositivi incapsulati in resina epossidica sono esplosi dopo 500 ore.

2. Aggiornamento del processo del chip
Per ambienti ad alta-temperatura, è necessario selezionare chip con caratteristiche di bassa corrente di dispersione. Ad esempio, l'utilizzo di diodi al carburo di silicio (SiC) può ridurre significativamente la corrente di dispersione inversa alle alte temperature. Test comparativi di un determinato progetto di convertitore di energia eolica offshore mostrano che a una temperatura di giunzione di 125 gradi, la corrente di dispersione inversa dei diodi SiC è ridotta dell'80% rispetto ai diodi a base di silicio- e l'efficienza del sistema è migliorata del 2,3%.

3. Principi di progettazione del declassamento
Negli scenari di alta-temperatura, i diodi devono essere ridotti in base alla loro effettiva temperatura operativa. Ad esempio, se la tensione inversa nominale del dispositivo è 60 V, si consiglia di scegliere un livello di tensione di resistenza di 100 V o superiore a 85 gradi per riservare un margine di sicurezza. Un certo progetto di sistema di accumulo dell'energia ha ridotto il tasso di guasto del dispositivo dal 5% allo 0,3% aumentando il livello di tensione di resistenza del diodo da 60 V a 100 V.

2, Progettazione strutturale: gestione termica e protezione dell'isolamento
1. Rafforzare la struttura di dissipazione del calore
Espansione della lamina di rame: nel layout PCB, l'aumento dell'area della lamina di rame migliora la conduzione del calore. Un progetto di un controller fotovoltaico ha ampliato l'area del foglio di rame sotto il diodo da 10 mm² a 50 mm², riducendo la temperatura di giunzione di 15 gradi.
Dissipatore di calore integrato: i pacchetti ad alta efficienza di dissipazione del calore come DFN e TO-220 vengono utilizzati insieme ai dissipatori di calore. Ad esempio, un determinato progetto UPS industriale utilizza diodi package TO-220 e installa dissipatori di calore in alluminio per controllare la temperatura di giunzione entro 120 gradi durante il funzionamento a pieno carico.
Applicazione del cuscinetto termico: il riempimento di grasso termico o cuscinetto termico tra il diodo e il dissipatore di calore può ridurre la resistenza termica del contatto. I test hanno dimostrato che l'utilizzo di un cuscinetto termico in silicone spesso 0,5 mm può ridurre la resistenza termica da 2 gradi/W a 0,8 gradi/W.
2. Progettazione dell'isolamento elettrico
Collegamento in parallelo di resistori di condivisione della corrente: quando più diodi sono collegati in parallelo, un resistore di condivisione della corrente a bassa resistenza (come 0,1 Ω) deve essere collegato in serie a ciascun diodo per evitare una distribuzione di corrente non uniforme dovuta alle differenze nella caduta di tensione diretta. Un certo progetto di circuito di bilanciamento della batteria di accumulo di energia ha ridotto la deviazione di corrente dei diodi paralleli dal 30% al 5% attraverso questo design.
Diodo di protezione inversa: il collegamento dei diodi inversi in parallelo su entrambe le estremità del diodo principale può impedire la rottura del diodo principale quando la tensione inversa è troppo elevata. Ad esempio, un determinato progetto di modulo di ricarica per veicoli elettrici adotta questo schema, che riduce il tempo di risposta della protezione da sovratensione inversa a 10 ns.
3, Controllo ambientale: isolamento del microambiente e ottimizzazione della ventilazione
1. Miglioramento del livello di protezione
Standard di protezione IP: selezionare apparecchiature con grado di protezione IP65 (resistente alla polvere e all'acqua) o IP67 (impermeabile) in base all'umidità ambientale. Un certo progetto di piattaforma di perforazione offshore utilizza moduli di diodi protettivi IP67, che non hanno subito corrosione dopo il funzionamento continuo in ambiente di nebbia salina per 3 anni.
Integrazione nel quadro elettrico: posizionare il modulo diodo in un quadro elettrico sigillato e installare l'aria condizionata o gli scambiatori di calore per regolare la temperatura e l'umidità. Ad esempio, un progetto UPS in un data center utilizza un armadio di controllo per mantenere la temperatura interna al di sotto dei 40 gradi e l'umidità entro il 50% di umidità relativa, estendendo così la durata dei diodi del 40%.
2. Ottimizzazione del sistema di ventilazione
Design con raffreddamento ad aria forzata: nelle applicazioni ad alta intensità energetica, i ventilatori vengono utilizzati per la ventilazione forzata. Un certo progetto di inverter fotovoltaico ha ottimizzato il design del condotto dell'aria per aumentare la velocità del flusso d'aria attorno al diodo a 3 m/s e ridurre la temperatura di giunzione di 20 gradi.
Miglioramento della convezione naturale: negli scenari a basso- consumo energetico, l'aumento della spaziatura o dell'angolo di inclinazione delle alette del dissipatore di calore può migliorare l'efficienza della convezione naturale. I test hanno dimostrato che aumentando la spaziatura tra le alette da 2 mm a 5 mm si migliora l'efficienza di dissipazione del calore del 15%.
4, Monitoraggio e protezione: feedback in tempo reale e intervento attivo
1. Sistema di monitoraggio della temperatura
Integrazione del termistore: installa il termistore NTC vicino al diodo per monitorare la temperatura di giunzione in tempo reale-. Un certo progetto di sistema di gestione della batteria di accumulo di energia, attraverso questo schema, attiva automaticamente la protezione di limitazione della corrente quando la temperatura di giunzione supera i 125 gradi per evitare la fuga termica.
Tecnologia di misurazione della temperatura a infrarossi: utilizzo di sensori a infrarossi per monitorare senza-contatto la temperatura superficiale dei diodi. Ad esempio, il progetto di un inverter per l'energia eolica consente di ottenere un controllo preciso dell'errore della temperatura di giunzione di ± 2 gradi attraverso la misurazione della temperatura a infrarossi.
2. Meccanismo di protezione da sovraccarico
Soppressore di tensione transitoria (TVS): un diodo TVS è collegato in parallelo all'ingresso del diodo per sopprimere i fulmini o commutare le sovratensioni. Un certo progetto di array fotovoltaico ha migliorato la sua capacità di resistenza alla sovratensione da 1 kV a 6 kV attraverso questo design.
Algoritmo software di limitazione della corrente: nei sistemi di controllo digitale, la corrente del diodo viene regolata dinamicamente tramite algoritmi. Ad esempio, un determinato progetto di stazione di ricarica per veicoli elettrici adotta il controllo di limitazione della corrente PID per ridurre il tempo di risposta al sovraccarico a 50 ms.
5, Caso di studio: pratiche di protezione dei convertitori di energia eolica offshore
Un certo progetto di energia eolica offshore è situato in acque subtropicali con una temperatura ambiente di 45 gradi e un'umidità relativa del 90%. Il progetto originale utilizzava normali diodi a base di silicio- e il tasso di guasto dopo un anno di funzionamento raggiungeva il 12%. Il piano di miglioramento prevede:

Aggiornamento del dispositivo: sostituito con diodo SiC, livello di resistenza alla temperatura aumentato a 175 gradi;
Miglioramento della dissipazione del calore: adottando il packaging DFN e installando dissipatori di calore in rame, la temperatura di giunzione viene ridotta da 150 gradi a 110 gradi;
Isolamento ambientale: posizionare il modulo diodo in un quadro elettrico protetto IP67 e installare un dispositivo di deumidificazione;
Monitoraggio e protezione: termistore integrato e diodo TVS per ottenere la doppia protezione di temperatura e tensione.
Dopo il miglioramento, il sistema ha funzionato ininterrottamente per 3 anni senza alcun guasto dei diodi, con un aumento dell'8% nella produzione annua di energia e una riduzione del 60% nei costi di manutenzione.