Kaip pagerinti srovės pralaidumą naudojant lygiagrečius diodus?

一, paralelinės technologijos fizinis pagrindas ir pranašumai
Pagrindinis diodų lygiagretaus jungimo principas yra pagrįstas srovės nukreipimo mechanizmu. Teoriškai, lygiagrečiai prijungus N diodų su vienodais parametrais, bendra srovės galia gali būti padidinta iki N kartų didesnė nei vieno įrenginio. Pavyzdžiui, 50A lygintuvo grandinėje, lygiagrečiai naudojant tris MUR2020 (vardinė srovė 20A), teoriškai galima pasiekti 60A srovės apdorojimo pajėgumą. Šis išplėtimo būdas turi didelių privalumų:

Sąnaudų optimizavimas: lyginant su vieno didelės srovės įrenginio naudojimu, lygiagreti schema gali sumažinti išlaidas derinant standartinius įrenginius. Pavyzdžiui, tam tikras fotovoltinio keitiklio projektas sumažina išlaidas 40 % lygiagrečiai sujungus keturis SS34 Schottky diodus (nominali srovė 3A), kad pakeistų vieną 12A įrenginį.
Perteklinis dizainas: lygiagrečios konstrukcijos natūraliai turi atsparumą gedimams. Kai diodas sugenda, likę komponentai vis tiek gali išlaikyti dalinį funkcionalumą, žymiai pagerindami sistemos patikimumą. Pritaikius lygiagretaus UPS maitinimo šaltinio prijungimo schemą tam tikrame duomenų centre, MTBF (vidutinis laikas tarp gedimų) buvo padidintas iki 200 000 valandų.
Supaprastintas šilumos išsklaidymas: srovė paskirstoma keliuose įrenginiuose, todėl sumažėja vieno taško šilumos tankis, o tai naudinga supaprastinant šilumos išsklaidymo konstrukciją. Tam tikrame elektromobilio įkrovimo modulyje lygiagreti schema sumažina šilumos šalinimo plotą 30% ir kontroliuoja temperatūros kilimą 45 laipsnių ribose.
2, pagrindiniai lygiagretaus projektavimo iššūkiai ir gedimo mechanizmai
Nors lygiagrečios technologijos turi didelių pranašumų, praktikoje inžinerijoje reikia išspręsti dvi pagrindines problemas:

Netolygus srovės pasiskirstymas: Dėl gamybos proceso nukrypimų net ir to paties modelio diodų tiesioginės įtampos kritimas (V_F) skiriasi daugiau nei 0,1 V. Įrenginiai su mažesne VF pirmiausia praleidžia ir neša daugiau srovės, todėl vietinis perkaitimas. Fotovoltinės stygos stebėjimo sistemos bandymas rodo, kad lygiagrečiai diodai, kurių VF skirtumas yra 0,15 V, gali pasiekti srovės paskirstymo santykį 3:1, o didelės apkrovos įrenginių temperatūros kilimas yra 25 laipsniais didesnis nei vidutinė vertė.
Šiluminio nutekėjimo pavojus: netolygi srovė gali sukelti vietinį perkaitimą, dar labiau sumažindama įrenginio VF ir suformuodama teigiamą grįžtamojo ryšio kilpą. Tam tikru pramoninio maitinimo šaltinio atveju lygiagreti schema be srovės pasidalijimo priemonių lėmė viso modulio gedimą dėl perkaitimo ir diodo degimo po 2 valandų pilnos apkrovos veikimo.
3, optimizavimo strategijos ir inžinerinė praktika pramonės patvirtinimui
Siekdama išspręsti pirmiau minėtas problemas, pramonė sukūrė brandžius optimizavimo sprendimus, apimančius tris lygius: įrenginio pasirinkimą, grandinės dizainą ir šilumos valdymą.

1. Įrenginio pasirinkimas ir suderinimas
Tos pačios partijos tikrinimas: pirmenybė turėtų būti teikiama prietaisų parinkimui iš tos pačios gamybos partijos ir plokštelių pjaustymui, kad būtų užtikrintas aukštas parametrų, tokių kaip VF ir atvirkštinis atkūrimo laikas (t_rr), nuoseklumas. Tam tikras fotovoltinių keitiklių gamintojas griežtai tikrino ir kontroliavo VF dispersiją ± 0,05 V.
Schottky diodų prioritetas: Palyginti su įprastais PN jungties diodais, Schottky diodai turi mažesnį VF (0,3–0,6 V) ir geresnį parametrų nuoseklumą. Žemos įtampos ir didelės srovės scenarijuose (pvz., 12V/20A įkrovimo moduliuose) Schottky lygiagreti schema pagerina srovės pasidalijimo efektą daugiau nei 50%, palyginti su įprastais diodais.
Kelių lustų pakavimo įrenginiai: naudojant kelių lustų pakuotę, kuri jau yra lygiagrečiai suderinta viduje (pvz., dviguba Schottky pakuotė), gali supaprastinti išorinės grandinės dizainą. Pritaikius tokius įrenginius tam tikrame ryšio galios projekte, PCB plotas sumažėjo 40%, o surinkimo efektyvumas pagerėjo 30%.
2. Grandinės konstrukcijos optimizavimas
Srovės dalijimosi rezistoriaus konstrukcija: Sujunkite mažus varžos rezistorius (paprastai 0,1–0,5 Ω) nuosekliai su kiekvienu diodu, kad pasiektumėte srovės balansą per rezistoriaus įtampos kritimą. Kuo didesnė srovė, tuo mažesnė turi būti varžos vertė. Pavyzdžiui, 100 A lygiagrečioje grandinėje pasirinkus 0,1 Ω srovės paskirstymo rezistorių galima valdyti srovės paskirstymo nuokrypį ± 5%.
Aktyvi srovės bendrinimo technologija: didelio{0}}tikslumo paklausos scenarijuose galima pritaikyti dinaminę srovės dalijimosi schemą, naudojant lygiagrečius MOSFET. Aptikus kiekvienos šakos srovę ir realiuoju laiku sureguliavus MOSFET varžą, galima pasiekti tikslų srovės paskirstymą. Pritaikius šią schemą, tam tikro serverio maitinimo šaltinio srovės dalijimosi tikslumas buvo pagerintas iki ± 2%, o efektyvumo nuostoliai sumažėjo iki mažiau nei 0,5%.
Išdėstymas ir laidų optimizavimas: Užtikrinkite simetrišką lygiagrečių įrenginių išdėstymą, sutrumpinkite srovės kelius ir sumažinkite parazitinio induktyvumo skirtumus. Tam tikros elektromobilio įkrovimo stoties konstrukcijos specifikacijose reikalaujama, kad lygiagrečių diodų kaiščių ilgio skirtumas neviršytų 0,5 mm, kad būtų sumažintas įtampos skambėjimas, kai perjungiamas aukštas -dažnis.
3. Stiprinti šilumos valdymą
Šilumos išsklaidymo struktūros optimizavimas: šilumos laidumo efektyvumui pagerinti naudojamos tokios medžiagos kaip vienodos šilumos plokštės ir šilumai laidus silikoninis tepalas. Tam tikras fotovoltinis inverteris pagerina temperatūros kilimo tolygumą 20 laipsnių, po lygiagrečiais diodais paklodamas šilumos paskirstymo plokštę.
Šiluminis modeliavimas ir patikra: atlikite šiluminį modeliavimą naudodami tokius įrankius kaip ANSYS Icepak, kad optimizuotumėte aušintuvo dydį ir ventiliatoriaus greitį. Tam tikras pramoninės energijos projektas sumažino šilumos išsklaidymo sąnaudas 15 %, taikant modeliavimą ir atitinka IEC 60068-2-1 terminio šoko bandymo standartą.
Temperatūros stebėjimas realiuoju laiku: ant pagrindinių komponentų paviršiaus įdiekite NTC termistorių kartu su MCU, kad apsaugotumėte nuo perkaitimo. Naudojant šį sprendimą duomenų centro UPS maitinimo šaltinis sutrumpino atsako į gedimą laiką iki mažiau nei 10 ms.
4, Tipiniai taikymo scenarijai ir naudos analizė
1. Antrinis fotovoltinio keitiklio ištaisymas
Styginių keitiklyje antrinis lygintuvas turi valdyti 10–30 A srovę. Priėmus lygiagrečią Schottky diodų schemą:

Efektyvumo didinimas: laidumo nuostoliai sumažėjo nuo 11 W (įprastas greito atkūrimo vamzdis) iki 5 W (Schottky vamzdis), todėl efektyvumas padidėjo 6 procentiniais punktais.
Patikimumo padidinimas: MTBF padidėjo nuo 150 000 valandų iki 250 000 valandų, o metinis gedimų dažnis sumažėjo 60%.
Sąnaudų optimizavimas: BOM sąnaudų sumažinimas vienam keitikliui
8. Apskaičiuota remiantis metine 100 000 vienetų gamyba, sutaupoma metinių išlaidų
800000.
2. Elektromobilio įkrovimo modulis
7 kW kintamosios srovės įkrovimo stotyje tiek PFC padidinimo, tiek išėjimo lygintuvo pakopai reikia lygiagrečių diodų:

Galios tankio pagerinimas: lygiagrečiai sulygiavus silicio karbido Schottky diodus, galios tankis padidinamas nuo 0,5 kW/l iki 0,8 kW/l, o tūris sumažinamas 37,5%.
EMC našumo pagerinimas: Atbulinės eigos atkūrimo laikas sumažintas nuo 50 ns (ypač greitas atkūrimo vamzdis) iki 0 ns (Schottky vamzdis), EMI triukšmas sumažintas 10 dB.
Viso gyvavimo ciklo sąnaudų sumažinimas: nors vieno įrenginio kaina padidėja 20%, pagerėjus sistemos efektyvumui ir sumažėjus šilumos išsklaidymo sąnaudoms, 5 metų bendrosios nuosavybės išlaidos (TCO) sumažėja 15%.
3. Pramoninio maitinimo šaltinio aukšto dažnio ištaisymas
48V/100A ryšio maitinimo šaltinyje naudojama lygiagreti itin greito atkūrimo diodų schema:

Sumažinti perjungimo nuostoliai: t-rr sumažėjo nuo 300 ns iki 50 ns, todėl perjungimo nuostoliai sumažėjo 80 %, o efektyvumas padidėjo nuo 92 % iki 95 %.
Išvesties pulsacijos slopinimas: atvirkštinės atkūrimo srovės smailė sumažinama nuo 5A iki 1A, o išėjimo pulsacijos įtampa sumažinama nuo 200mV iki 50mV.
Patobulintas sertifikavimo praėjimo rodiklis: atitinka IEC 61000-4-5 viršįtampių bandymo reikalavimus, o produkto pirmojo praėjimo rodiklis padidėjo nuo 70% iki 95%.