Како иновативним дизајном смањити губитак топлоте диода у енергетским системима?

一, Иновације материјала: од силикона-до широког појасног размака, пробијајући физичке границе
Традиционалне диоде засноване на силикону{0}}ограничене су својствима материјала и доживљавају значајне топлотне губитке у сценаријима високе-температуре и високе{2}}фреквенције. Узимајући за пример диоде за брзи опоравак (ФРД), њихово време повратног опоравка (трр) је обично у распону од десетина наносекунди до микросекунди, а наелектрисање повратног опоравка (Крр) је релативно високо, што резултира експоненцијалним растом губитака при пребацивању са повећањем фреквенције. Полупроводнички материјали са широким размаком, као што су силицијум карбид (СиЦ) и галијум нитрид (ГаН), пружају нови пут за смањење губитка топлоте због своје велике покретљивости електрона и велике јачине поља пробоја.

1. СиЦ Шотки диода: "идеалан прекидач" за нулти повратни опоравак
СиЦ Сцхоттки диоде имају металну полупроводничку спојну структуру, без готово никаквог ускладиштеног набоја, а време повратног опоравка је близу нуле. Губитак повратног поврата може се смањити за више од 90%. У систему пуњења нових енергетских возила, његове високе-карактеристике фреквенције (радна фреквенција до нивоа МХз) смањују удео губитака прекидача са 15% на бази силицијума-на испод 3%. На пример, СиЦ СБД компаније Зхикин Мицроелецтроницс покрива сценарије мале и средње снаге у систему за складиштење енергије од 48 В са опсегом струје од 2А-100А, а опсег толеранције температуре споја је проширен на -55 степени до 175 степени, значајно побољшавајући термичку маргину система.

2. ГаН ХЕМТ интегрисана диода: једна цев постиже двосмерну проводљивост
ГаН транзистори са високом покретљивошћу електрона (ХЕМТ) могу да интегришу функционалност диода у оквиру једног чипа оптимизацијом структуре уређаја, елиминишући додатни губитак проводљивости изазван серијским повезивањем диода и комутационих транзистора у традиционалним решењима. Узимајући ГаН уређаје из ЕПЦ компанија као пример, њихов пад напона обрнуте проводљивости (ВСД) је само 0,1 В, што је 85% ниже од 0,7 В МОСФЕТ диода на бази силикона- и може смањити губитке у проводљивости за 30% у фотонапонским инвертерима.

2, Оптимизација топологије: од пасивне ректификације до активне контроле, реконструкција енергетских путева
Традиционални диодни исправљачки круг се ослања на једносмерну проводљивост уређаја, али фиксни пад напона (ВФ) узрокује расипање енергије у облику топлоте. Иновирањем топологије кола, може се постићи исправљање „нултог пада напона“, елиминишући губитак топлоте из корена.

1. Идеалан диодни контролер: МОСФЕТ симулира једносмерну проводљивост
Идеалан диодни контролер замењује традиционалне диоде тако што покреће МОСФЕТ-ове, користећи изузетно мали отпор (РДС (укључено)) МОСФЕТ-а да би се постигао готово без губитака. На пример, ЛТЦ4412 контролер компаније Аналог Девицес покреће МОСФЕТ Н- канала са падом напона од само 10мВ при струји од 1А, што је 97% ниже од 0,4В Шоткијевих диода. У редундантном систему напајања индустријског ПЛЦ-а, два извора напајања се аутоматски пребацују преко ЛТЦ4412, повећавајући ефикасност на 99,5% и значајно смањујући комплексност термичког дизајна.

2. Трофазни активни исправљачки мост: елиминисање пада напона диоде
Традиционални трофазни исправљачки мост користи 6 диода, од којих свака генерише пад напона од 0,7 В, што доводи до губитка енергије од преко 10%. ДЦ2465 плоча за процену из Линеар Тецхнологи Цорпоратион (сада АДИ) користи три ЛТ4320 идеална диодног моста контролера за управљање шест МОСФЕТ-ова са малим губицима, повећавајући ефикасност са 84% на 97% на 9В улазу. Може да ради стабилно без принудног ваздушног хлађења под оптерећењем од 25А. Ово решење може да поједностави термички дизајн и смањи трошкове система у сценаријима као што су претварачи енергије ветра и УПС центара података.

3, Интелигентна контрола: од статичке заштите до динамичког подешавања, постизање прецизног управљања топлотом
Губитак топлоте диода је у снажној корелацији са радним условима као што су струја, напон и фреквенција, а традиционалне стратегије статичке заштите (као што су фиксне граничне вредности струје) је тешко прилагодити динамичким условима рада. Праћење статуса уређаја у реалном времену путем интелигентних контролних алгоритама може постићи динамичко сузбијање губитка топлоте.

1. Модел процене температуре споја: предиктивна термичка заштита
Комбиновањем тренутног узорковања са подацима температурног сензора, може се конструисати модел процене температуре диодног споја како би се обезбедило рано упозорење о ризику од топлотног бекства. На пример, у претварачу за складиштење енергије који контролише СТМ32, температура споја (Тј) се израчунава у реалном времену узорковањем струје диоде (Иф) и температуре хладњака (Тхс), у комбинацији са параметрима топлотног отпора уређаја (Р θ јц, Р θ цс)
Када Тј премаши безбедносни праг (као што је 140 степени), систем аутоматски смањује свој називни рад да би избегао тешка оштећења. Након усвајања ове шеме, стопа квара диоде на одређеном фотонапонском претварачу од 15кВ смањена је за 80%.

2. Динамичко коло бафера: Сузбијање скокова повратног опоравка
Реверзни скок струје опоравка (ИРР) је главни фактор који узрокује губитке прекидача и ЕМИ. Паралелним повезивањем РЦ бафер кола на оба краја диоде или коришћењем софт свитцхинг технологије, време вршног и репа ИРР-а се може смањити. На пример, у примени Ксингхаи РС диода за брзи опоравак, оптимизацијом параметара бафер кондензатора, трр се скраћује са 50нс на 20нс, Крр се смањује за 40%, а ефикасност је побољшана за 3% -5% у сценаријима високофреквентног исправљања.

4, Инжењерски случај: Пракса оптимизације топлотних губитака у фотонапонским инвертерима
Фотонапонски инвертер од 100 кВ је првобитно користио силицијумске{1}}диоде за брзо обнављање, које су често имале проблеме са експлозијом диода у окружењима са високим{2}}температурама. Након анализе, основни узрок је:

Ограничења материјала: трр диода на бази силикона{0}} достиже 100 нс, а Крр је релативно висок, што резултира односом губитка прекидача до 25%;
Недовољно одвођење топлоте: Коришћењем обичне силиконске масти као термичког материјала интерфејса (ТИМ), Р θ цс се погоршао са 0,5 степени/В на 2,5 степени/В након шест месеци рада, а температура споја је премашила стандард;
Контролно кашњење: Фиксна заштита од ограничења струје не може да се прилагоди наглим променама осветљења, што доводи до прекомерне струје диода и прегоревања.
План оптимизације:

Надоградња материјала: замењена СиЦ Шоткијевом диодом, трр скраћен на 10нс, Крр смањен за 90%, а однос губитака прекидача смањен на 5%;
Побољшање дисипације топлоте: коришћење материјала за промену фазе (као што је Цхомерицс ТХЕРМ-А-ГАП ГЕЛ 15) уместо силиконске масти, стабилизација Р θ цс на 0,4 степена/В и смањење температуре споја за 30 степени;
Интелигентна контрола: Увођење модела за процену температуре споја за динамичко подешавање излазне снаге и избегавање прегревања;
Оптимизација топологије: Повежите керамичке кондензаторе од 10нФ паралелно преко диоде да бисте сузбили скокове повратног опоравка и смањили ЕМИ шум за 15дБ.
Ефекат имплементације: Након оптимизације, ефикасност претварача је повећана са 97,5% на 98,8%, стопа квара диоде је ресетована на нулу, а МТБФ система (средње време између кварова) је продужено на више од 10 година.