Jak zaprojektować strukturę równoległą diod w redundantnym systemie energetycznym?

一, Wybór urządzenia: Dopasowanie parametrów na podstawie sceny
1. Kontrola wydajności prądowej i dyskretności
Systemy redundantne muszą radzić sobie w przypadku awarii pojedynczego modułu, a diody równoległe muszą spełniać następujące wymagania:

Redundancja prądu znamionowego: Prąd znamionowy pojedynczej lampy powinien być większy lub równy maksymalnemu prądowi obciążenia systemu/(liczba połączeń równoległych x 0,8), z zarezerwowanym 20% marginesem bezpieczeństwa. Na przykład w systemie 48 V/20 A, w którym 4 rury są połączone równolegle, należy wybrać model jednorurowy o natężeniu 30 A lub większym.
Konsystencja spadku napięcia w kierunku przewodzenia: Dyspersja Vf diod Schottky'ego powinna być mniejsza lub równa 5%, aby uniknąć nierównowagi rozkładu prądu spowodowanej różnicami w spadku napięcia przewodzenia. W obudowie OBC nowego pojazdu energetycznego cztery diody Schottky'ego 30 A z odchyleniem Vf ± 0,1 V zostały połączone równolegle i zastosowano rezystor współdzielący prąd 0,2 Ω, aby uzyskać odchylenie prądu wynoszące<± 5% in the entire temperature range.
2. Charakterystyka odwrotna i wymagania dotyczące ochrony
Margines napięcia wytrzymywanego wstecz: Wartość VRRM diody musi być większa lub równa 1,5-krotności maksymalnego napięcia systemu. Na przykład w systemie podłączonym do sieci fotowoltaicznej napięcie jałowe panelu słonecznego może osiągnąć 1000 V i należy wybrać diody TVS z VRRM większym lub równym 1500 V.
Optymalizacja czasu odzyskiwania wstecznego: Ultra szybkie diody odzyskiwania z Trr<50ns should be selected for high-frequency switching scenarios. In a power supply case of a certain communication base station, UF4007 diodes (Trr=35ns) were used instead of ordinary rectifiers to reduce reverse recovery losses by 70%.
2, Projekt topologii: równoważenie redundancji i izolacji
1. Architektura równoległego udostępniania prądu
Schemat pasywnego podziału prądu: Równoważenie prądu osiąga się poprzez połączenie szeregowe rezystorów współdzielących prąd o niskiej indukcyjności 0,1–0,5 Ω. Niektóre przemysłowe zasilacze PLC mają konstrukcję równoległą z dwiema lampami, a odgałęzienie zapasowe można podłączyć w ciągu 10 μs w przypadku awarii głównej lampy. Pobór mocy rezystora współdzielącego prąd jest kontrolowany w zakresie 0,5 W.
Schemat aktywnego podziału prądu: przy użyciu układów aktywnego podziału prądu, takich jak LTC4370, dynamiczną dystrybucję prądu osiąga się poprzez regulację napięcia bramki. W przypadku zasilacza centrum danych w 4-lampowym systemie równoległym wystąpił błąd dystrybucji prądu obciążenia<± 2% through active current sharing control.
2. Redundantny projekt izolacji
Topologia redundantna N+1: Moduł główny i moduł zapasowy są izolowane diodami, aby zapewnić, że awaria pojedynczego modułu nie wpłynie na moc wyjściową systemu. Zasilanie określonego sprzętu medycznego charakteryzuje się redundancją 3+1, a moduł rezerwowy jest odizolowany od obwodu głównego za pomocą diod, a czas przełączania usterek jest krótszy niż 50 μs.
Rozwiązanie polegające na wymianie MOSFET-ów typu back-to-back: w scenariuszach wymagających dwukierunkowej izolacji dwa N-kanałowe tranzystory MOSFET są połączone-z powrotem- i połączone z układem sterującym LTC4416, aby uzyskać izolację o niskich stratach. W przypadku zasilacza serwerowego rozwiązanie to zmniejszyło spadek napięcia przewodzenia z 0,45 V do 0,03 V, co spowodowało wzrost wydajności o 12%.
3, Zarządzanie ciepłem: synergia pomiędzy odprowadzaniem ciepła i niezawodnością
1. Obliczenie zużycia energii i projekt odprowadzania ciepła
Obliczanie strat przewodzenia: P=Vf × Iavg, diody o niskim Vf powinny być traktowane priorytetowo w scenariuszach wysokoprądowych. Na przykład przy prądzie 12 A pobór mocy diody Schottky'ego 0,45 V osiąga 5,4 W i należy zainstalować radiator; Dioda Schottky'ego 0,3 V SiC zużywa zaledwie 3,6 W i może w naturalny sposób odprowadzać ciepło.
Kontrola oporu cieplnego: Stosowanie opakowań o niskim oporze cieplnym (takich jak opakowanie TO-220 o R θ JA=40 stopnia /W) w połączeniu ze smarem silikonowym przewodzącym ciepło w celu kontrolowania temperatury złącza poniżej 125 stopni. W studium przypadku modułu ładowania pojazdu elektrycznego wzrost temperatury diody został zmniejszony z 45 stopni do 25 stopni poprzez optymalizację powierzchni folii miedzianej PCB (większej lub równej 100 mm²/A).
2. Optymalizacja układu i tłumienie parametrów pasożytniczych
Kontrola indukcyjności pasożytniczej: W przypadku układu PCB długość ułożenia pinów diody powinna wynosić<5mm to avoid the formation of oscillation circuits. In a certain photovoltaic inverter case, by arranging parallel diodes on the same side of the PCB, the parasitic inductance was reduced from 12nH to 2nH, and the reverse recovery overshoot voltage was reduced by 60%.
Konstrukcja złącza termicznego: W scenariuszach o dużej gęstości mocy stosowana jest wspólna konstrukcja radiatora, aby zapewnić równowagę temperaturową diod równoległych. W pewnym przypadku zasilacza komunikacyjnego odchyłkę temperatury złącza zmniejszono z 15 stopni do 5 stopni, instalując cztery diody ściśle przy radiatorze.
4, Weryfikacja inżynierska:-zamknięta pętla od symulacji do rzeczywistego pomiaru
1. Weryfikacja symulacyjna
Symulacja modelu SPICE: Stwórz model LTspice dla obwodów równoległych diod, aby zweryfikować efekt podziału prądu i rozkład ciepła. W pewnym przypadku zasilacza lotniczego symulacja wykazała, że ​​w diodach równoległych występowała 20% niezrównoważenie prądu. Po optymalizacji parametrów rezystancji podziału prądu, asymetria została zmniejszona do 5%.
Analiza symulacji termicznej: FloTHERM i inne narzędzia służą do symulacji ścieżki odprowadzania ciepła i optymalizacji konstrukcji radiatora. W studium przypadku zasilacza kolejowego, wysokość żeberek radiatora została dostosowana w drodze symulacji z 15 mm do 20 mm, zmniejszając maksymalną temperaturę złącza ze 130 stopni do 115 stopni.
2. Testowanie niezawodności
Testowanie HALT: Sprawdź ograniczenia projektowe poprzez testy trwałości przy dużym przyspieszeniu. W przypadku zasilacza wojskowego równoległa struktura diody nie uległa uszkodzeniu po 1000 cyklach zmiany temperatury od -40 stopni do+125 stopnia.
Testowanie EMC: Sprawdź, czy szum generowany przez odwrotne odzyskiwanie diody spełnia normę. W badaniu przypadku zasilacza urządzenia medycznego kondensator 100 pF został podłączony równolegle do diody, aby zmniejszyć emitowane zakłócenia z 45 dB μ V do 35 dB μ V.
5, Typowe przypadki zastosowań
1. Redundantne zasilanie komunikacyjnych stacji bazowych
Za pomocą 4 równoległych zasilaczy 20A, każdy izolowany diodami Schottky'ego SR1660 (16A/60V). Osiągnij wysoką niezawodność dzięki następującemu projektowi:

Wybór rezystora współdzielącego prąd: rezystor cementowy 0,3 Ω/5W, zapewniający, że prąd pojedynczej lampy nie przekroczy 15A
Projekt rozpraszania ciepła: powierzchnia radiatora większa lub równa 200 cm², temperatura złącza<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Funkcja zabezpieczenia: dioda TVS (18V/1kW) tłumi przepięcia, warystor (150V) zapobiega przepięciom
2. Moduł ładowania pojazdów nowych energii
Zastąpienie tradycyjnych diod tranzystorami MOSFET SiC w celu uzyskania redundancji o niskich stratach:

Topologia: tył-do-tyłu C2M0080120D SiC MOSFET (1200 V/80 m Ω)
Schemat sterowania: sterownik LTC4416, ze spadkiem napięcia przewodzenia zaledwie 0,1V
Poprawa wydajności: W porównaniu do rozwiązań z diodami Schottky'ego, wydajność systemu wzrosła z 92% do 96%