Cos'è un diodo a recupero rapido? In quali dispositivi energetici sono adatti all'uso?

1, L'essenza tecnica dei diodi a recupero rapido
Innovazione strutturale: vantaggi fisici della struttura PIN
I diodi raddrizzatori tradizionali adottano una struttura a giunzione PN e, durante il processo di recupero inverso, i portatori immagazzinati nella regione di esaurimento necessitano di molto tempo per ricombinarsi, determinando un tempo di recupero inverso di microsecondi. I diodi a recupero rapido formano una struttura PIN inserendo uno strato I intrinseco tra gli strati di silicio di tipo P-e di tipo N-. Questo design espande la larghezza della regione di svuotamento al livello del micrometro, riducendo significativamente la quantità di stoccaggio del trasportatore. Prendendo come esempio il diodo a recupero rapido in carburo di silicio della serie C3D di CREE, la sua struttura PIN riduce il tempo di recupero inverso a meno di 10 nanosecondi, ovvero due ordini di grandezza in più rispetto ai tradizionali dispositivi basati su silicio-.

Innovazione tecnologica: tecnologia di controllo del centro composito
Mediante l'impianto ionico di impurità di metalli pesanti come oro e platino o utilizzando la tecnologia di irradiazione elettronica, i centri di ricombinazione a livello profondo vengono introdotti nel reticolo di silicio. Questi centri di ricombinazione agiscono come "trappole dei portatori", accelerando il processo di ricombinazione dei portatori minoritari. I dati sperimentali mostrano che la carica di recupero inverso Qrr dei diodi FR107 drogati con oro è ridotta del 75% rispetto ai dispositivi non drogati e il tempo di recupero inverso è ridotto da 2 microsecondi a 500 nanosecondi.

Innovazione dei materiali: l'ascesa dei semiconduttori ad ampio gap di banda
L'applicazione di materiali semiconduttori di terza-generazione come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) ha ulteriormente superato i limiti fisici dei dispositivi basati su silicio-. La larghezza di banda proibita del materiale SiC è 3,2 eV, ovvero tre volte quella del silicio. La sua elevata intensità di campo di rottura critica (3 MV/cm) consente al dispositivo di ottenere una maggiore resistenza alla tensione e uno strato di deriva più sottile. CoolSiC lanciato da Infineon ™ La serie di diodi a recupero rapido da 1200 V ha un tempo di recupero inverso di soli 35 nanosecondi a una temperatura di giunzione di 25 gradi e ha un coefficiente di temperatura positivo caratteristico, che ne facilita l'espansione in parallelo.

2, Scenari applicativi principali nelle apparecchiature energetiche
Inverter fotovoltaico: rivoluzione dell'efficienza da DC ad AC
Negli inverter fotovoltaici a stringa, i diodi a recupero rapido svolgono un ruolo cruciale nella conversione CC-CA. Prendendo come esempio l'inverter Huawei SUN2000-50KTL-H1, il suo circuito Boost boost utilizza il diodo a recupero ultra veloce MUR1680CT (trr=80ns), che può ridurre le perdite di commutazione del 40% durante il tracciamento MPPT. Soprattutto in condizioni di carico leggero, la caratteristica di recupero graduale sopprime efficacemente i picchi di tensione, aumentando l'efficienza europea del sistema al 98,7%.

Pila di ricarica per veicoli elettrici: innovazione in termini di efficienza della rettifica ad alta frequenza
La stazione di sovralimentazione Tesla V3 adotta una piattaforma ad alta tensione da 900 V e il diodo a recupero rapido STTH1206DI da 600 V utilizzato nel suo circuito PFC è controllato entro 120 nanosecondi ottimizzando il gradiente di concentrazione del drogaggio. Con una potenza di carica di 350 kW, questo dispositivo raggiunge un'efficienza del modulo raddrizzatore del 99,2%, ovvero 1,5 punti percentuali in più rispetto ai tradizionali raddrizzatori al silicio. Può far risparmiare oltre 20.000 yuan in bolletta elettrica per una singola stazione di ricarica all'anno.

Alimentazione industriale: conversione di energia ad alta-frequenza
Nell'alimentatore industriale ad alta frequenza della serie Emerson CT, il diodo a recupero rapido in carburo di silicio TDAF30A65 650V viene utilizzato in antiparallelo con l'IGBT per formare un efficiente circuito a ruota libera. La sua caratteristica di corrente con recupero inverso pari a zero aumenta la frequenza di commutazione a 200kHz e raggiunge una densità di potenza di 5kW/in ³. Nel sistema di alimentazione della macchina da taglio laser, questo dispositivo riduce la tensione di ondulazione in uscita al di sotto dello 0,5%, migliorando significativamente la precisione della lavorazione.

Sistema di accumulo dell'energia: ottimizzazione dell'efficienza del convertitore bidirezionale
Il diodo a recupero ultra rapido BYV26E utilizzato nel sistema di accumulo di energia di CATL raggiunge un flusso di energia efficiente nei convertitori CC-CC bidirezionali. La sua esclusiva struttura di cortocircuito dell'anodo consente al fattore di morbidezza del recupero inverso (S=tr/tf) di raggiungere 0,3. Durante il processo di commutazione di carica e scarica della batteria, il superamento della tensione viene controllato entro il 5%, prolungando la durata del ciclo delle celle della batteria.

3, Considerazioni chiave per la selezione e la progettazione
La regola d'oro della corrispondenza dei parametri
Margine di tensione: la tensione operativa effettiva deve essere inferiore al 70% della tensione di picco ripetitiva inversa nominale VRRM del dispositivo. Ad esempio in un impianto fotovoltaico a 1000V occorre selezionare dispositivi con VRRM maggiore o uguale a 1200V.
Declassamento della corrente: la corrente diretta media IF (AV) deve essere selezionata in base a 1,5 volte la corrente operativa effettiva e la corrente di picco diretta IFSM deve resistere a più di 2 volte la corrente di cortocircuito massima-del sistema.
Bilancio delle perdite: nelle applicazioni superiori a 20kHz, è necessario valutare in modo completo la perdita di conduzione diretta (Pon=VF × IF) e la perdita di recupero inversa (Psw off=Vr × Irrm × trr × fsw/2) e dare priorità alla selezione di dispositivi di recupero ultraveloci con Qrr<50nC.
Ingegneria dei sistemi di gestione termica
Ottimizzazione del percorso di dissipazione del calore: Adottando il substrato ceramico DBC e la struttura di dissipazione del calore con alette ad ago in rame, la resistenza termica θ ja dei dispositivi confezionati TO-247 è ridotta a 1,5 gradi /W.
Monitoraggio della temperatura di giunzione: integra il termistore NTC nel modulo IGBT per monitorare la temperatura di giunzione del diodo in tempo reale-, assicurando che non superi il valore nominale di 150 gradi.
Design con condivisione di corrente parallela: utilizzando lo stesso lotto di dispositivi in ​​parallelo e regolando la resistenza del gate (Rg) per sincronizzare la forma d'onda dell'interruttore, lo squilibrio di corrente viene controllato entro il 5%.