Come selezionare i diodi adatti ai sistemi energetici ad alta-tensione?

一, Classificazione tecnica e caratteristiche principali dei diodi ad alta-tensione
1. Classificare per materiale e struttura
Diodo ad alta tensione- a base di silicio: la scelta tradizionale, con una tensione di resistenza di diverse migliaia di volt e un lungo tempo di recupero inverso (livello di microsecondi), adatto per il raddrizzamento della frequenza di alimentazione.
Diodo ad alta-tensione al carburo di silicio (SiC): con una tensione di tenuta superiore a 3300 V, il tempo di recupero inverso è ridotto a nanosecondi e eccellenti prestazioni ad alta-temperatura (la temperatura di giunzione può raggiungere i 200 gradi), adatto per scenari di commutazione ad alta-frequenza.
Diodo in vetro passivato (GPP): sparando uno strato di vetro sulla superficie della giunzione PN, la stabilità della tensione e la resistenza all'umidità vengono migliorate, con una resistenza alla tensione tipica di 600 V-1200 V.
2. Classificare per funzione
Diodo raddrizzatore: converte CA in CC, con parametri principali di corrente rettificata massima (IF) e tempo di recupero inverso (Trr).
Diodo a recupero rapido (FRD): Trr inferiore o uguale a 50 ns, adatto per scenari ad alta-frequenza come alimentatori a commutazione e inverter.
Diodo Schottky (SBD): riduzione della tensione diretta (0,3-0,5 V), nessun tempo di recupero inverso, ma tensione di tenuta limitata (solitamente inferiore o uguale a 200 V), che richiede il collegamento in serie per aumentare la tensione di tenuta.
Diodo di soppressione della tensione transitoria (TVS): tempo di risposta inferiore o uguale a 1 ns, tensione di bloccaggio precisa, utilizzata per la protezione contro i fulmini e la protezione da sovratensione.
2. Sei parametri fondamentali per la selezione dei diodi ad alta-tensione
1. Resistenza alla tensione (VRRM/VBR)
Definizione: la massima tensione di picco ripetitivo inverso (VRRM) deve essere 1,5-2 volte superiore alla tensione massima del sistema per evitare guasti causati da fluttuazioni di tensione.
Principio di selezione:
Lato CC dell'inverter fotovoltaico: un sistema da 1500 V richiede un diodo da 1700 V (come la serie Taike Tianrun G3S170).
Sistema di trazione per trasporto ferroviario: il sistema da 3300 V richiede un diodo SiC da 3300 V (come la serie Taike Tianrun G3S330).
2. Capacità di flusso (IF/IFSM)
Definizione: La corrente media raddrizzata (IF) deve essere 1,5 volte superiore alla corrente media del sistema; La corrente di picco (IFSM) deve resistere all'impatto istantaneo durante l'avvio o il cortocircuito.
Principio di selezione:
Azionamento per motori industriali: scegliere IF Maggiore o uguale a 2 volte la corrente nominale, IFSM Maggiore o uguale a 10 volte la corrente nominale.
Inverter fotovoltaico: Selezionare IF Maggiore o uguale a 1,5 volte la corrente massima in uscita, IFSM Maggiore o uguale a 20kA (forma d'onda 8/20 μ s).
3. Velocità di commutazione (Trr/Ton/Off)
Definizione: il tempo di recupero inverso (Trr) determina la perdita di commutazione in scenari ad alta-frequenza; Il tempo Ton/Off influisce sulla velocità di risposta del sistema.
Principio di selezione:
Switching power supply (>10kHz): selezionare diodi a recupero rapido con Trr inferiore o uguale a 50 ns (come ASEMI MUR1660AC, Trr=35ns).
Inverter al carburo di silicio: selezionare diodi SiC con Trr inferiore o uguale a 10 ns (come la serie Taike Tianrun G3S170, Trr=8ns).
4. Caduta di tensione positiva (VF)
Definizione: durante la conduzione, la tensione su entrambe le estremità influisce direttamente sull'efficienza del sistema.
Principio di selezione:
Scenari a bassa tensione e corrente elevata (come sistemi a 48 V CC): la priorità dovrebbe essere data alla selezione di diodi Schottky con VF inferiore o uguale a 0,5 V.
Scenari ad alta tensione (come superiori a 1000 V): scegliere diodi SiC con VF inferiore o uguale a 2,5 V, che può migliorare l'efficienza del 3-5% rispetto ai diodi al silicio.
5. Prestazioni termiche (TjM/Rth)
Definizione: la temperatura massima di giunzione (TjM) deve essere inferiore al valore limite del dispositivo (150 gradi per tubi in silicio, 200 gradi per tubi in SiC); La resistenza termica (Rth) determina l'efficienza di dissipazione del calore.
Principio di selezione:
Modulo di potenza ad alta densità: selezionare dispositivi confezionati TO-247 con Rth inferiore o uguale a 0,5 gradi /W.
Applicazione in ambiente chiuso: selezionare i dispositivi con TjM maggiore o uguale a 175 gradi e riservare spazio di declassamento.
6. Certificazione di affidabilità
Criteri chiave:
Certificazione di sicurezza: UL (Nord America), TUV (Germania), CQC (Cina).
Test di durata: testato per 1000 ore utilizzando HTRB (High Temperature Reverse Bias).
Affidabilità del packaging: evita di utilizzare packaging plug{0}}assiali e dai priorità alla selezione del packaging SMT (come DFN8 × 8).
3, processo di selezione del diodo ad alta tensione e analisi del caso
1. Processo di selezione
Analisi dei requisiti: chiarire i parametri del sistema come tensione, corrente, frequenza e temperatura ambiente.
Classificazione del dispositivo: selezionare raddrizzatore, recupero rapido, TVS e altri tipi in base ai requisiti funzionali.
Corrispondenza dei parametri: seleziona i dispositivi candidati in base ai parametri principali (resistenza alla tensione, flusso di corrente, velocità).
Design di declassamento: declassamento della tensione di 1,5-2 volte, declassamento della corrente di 1,2-1,5 volte.
Verifica dell'affidabilità: verificare la robustezza del dispositivo tramite HALT (High Acceleration Life Test).
2. Casi applicativi tipici
Caso 1: Protezione lato DC dell'inverter fotovoltaico
Requisito: è richiesto un sistema da 1500 V per resistere a una corrente di picco di 20 kA con un'efficienza maggiore o uguale al 98%.
Piano di selezione:
Raddrizzatore principale: diodo SiC Taike Tianrun 1700 V/50 A (G3S750P), VF=1.7V, Trr=8ns.
Protezione da sovratensione: diodo Toshiba HN1D05FE TVS (VR=400V, IPP=20kA).
Effetto: efficienza del sistema migliorata del 2%, tempo di risposta della protezione da sovratensione inferiore o uguale a 1 ns.
Caso 2: Convertitore di trazione per transito ferroviario
Requisiti: sistema da 3300 V, frequenza di commutazione 5 kHz, richiesto per resistere a una corrente di cortocircuito di 100 kA.
Piano di selezione:
Modulo di rettifica: diodo SiC Taike Tianrun 3300V/50A (G3S33050P), IFSM=100kA.
Diodo a recupero rapido: ASEMI MUR3060PT (600 V/30 A, Trr=35ns).
Effetto: il volume del sistema viene ridotto del 30% e le perdite di commutazione vengono ridotte del 40%.
4, Tendenze future nella selezione dei diodi ad alta tensione
1. Divulgazione dei semiconduttori ad ampio gap di banda
I diodi SiC hanno una tensione di tenuta superiore a 3300 V e una caduta di tensione diretta ridotta a 1,5 V, rendendoli adatti per sistemi di distribuzione di media tensione superiori a 10 kV.
I diodi al nitruro di gallio (GaN) sono entrati nel campo ad alta-tensione, con tempo di recupero inverso ridotto a meno di 1 ns.
2. Strumento di selezione intelligente
Il fornitore fornisce una piattaforma di simulazione online (come il selettore SiC Taike Tianrun), che consiglia automaticamente le combinazioni di dispositivi dopo aver inserito i parametri del sistema.
La tecnologia Digital Twin viene utilizzata per prevedere la durata e le modalità di guasto dei dispositivi in ​​condizioni operative estreme.
3. Modularizzazione e integrazione
Diodo e IGBT/MOSFET sono integrati in un singolo modulo (come la serie Infineon EasyPACK), semplificando la progettazione del sistema.
La confezione della cartella stampa migliora la resistenza agli urti e l'efficienza di dissipazione del calore dei dispositivi ad alta-tensione.