Hvernig á að draga úr hitatapi díóða í orkukerfum með nýstárlegri hönnun?

一, Efnisnýjung: Frá kísil-undirstaða yfir í breitt bandbil, brjótast í gegnum líkamleg mörk
Hefðbundnar kísildíóða-undirstaða eru takmörkuð af efniseiginleikum og verða fyrir verulegu hitatapi við há-hitastig og há-tíðnisviðsmynd. Með því að taka hraðbata díóða (FRDs) sem dæmi, þá er öfugur batitími þeirra (trr) venjulega á bilinu tugir nanósekúndna til míkrósekúndna, og öfug batagjald (Qrr) er tiltölulega hátt, sem leiðir til veldisvísis vaxtar skiptitaps með vaxandi tíðni. Hálfleiðaraefni með breitt bandbil, eins og kísilkarbíð (SiC) og gallíumnítríð (GaN), veita nýja leið til að draga úr hitatapi vegna mikillar rafeindahreyfanleika og mikils niðurbrotssviðsstyrks.

1. SiC Schottky díóða: "tilvalin rofi" fyrir núll endurheimt
SiC Schottky díóða samþykkja málmhálfleiðara tengibyggingu, með nánast enga geymda hleðslu, og öfugur endurheimtartími er nálægt núlli. Hægt er að draga úr öfugu bata tapinu um meira en 90%. Í hleðslukerfi nýrra orkubíla minnka há-tíðnieiginleikar þess (rekstrartíðni upp að MHz-stigi) hlutfalli rofataps úr 15% af sílikoni-miðað í undir 3%. Til dæmis, SiC SBD frá Zhixin Microelectronics nær yfir litla og meðalstóra aflsviðsmynd í 48V orkugeymslukerfi með straumsviðinu 2A-100A, og þolmörk mótshitastigsins er framlengd í -55 gráður til 175 gráður, sem bætir varmamörk kerfisins verulega.

2. GaN HEMT samþætt díóða: eitt rör nær tvíátta leiðni
GaN hára rafeindahreyfanleika smára (HEMTs) geta samþætt díóðavirkni innan eins flísar með því að fínstilla uppbyggingu tækisins, útrýma viðbótarleiðnistapi sem stafar af raðtengingu díóða og skiptitransistorum í hefðbundnum lausnum. Ef GaN tæki frá EPC fyrirtækjum eru tekin sem dæmi, þá er andstæða spennufall þeirra (VSD) allt niður í 0,1V, sem er 85% lægra en 0,7V kísil-undirstaða MOSFET díóða, og getur dregið úr leiðnartapi um 30% í ljósvakara.

2, Topology hagræðing: frá óvirkri leiðréttingu til virkrar stjórnunar, endurgerð orkuleiða
Hin hefðbundna díóða afriðlarrás byggir á einstefnuleiðni tækisins, en fast spennufall (VF) veldur því að orka dreifist í formi hita. Með nýjungum í hringrásarfræði er hægt að ná „núllspennufalli“ leiðréttingu, sem útilokar varmatap frá rótinni.

1. Tilvalinn díóða stjórnandi: MOSFET líkir eftir einátta leiðni
Hin fullkomna díóða stjórnandi kemur í stað hefðbundinna díóða með því að keyra MOSFETs, sem notar afar lágt viðnám (RDS (on)) MOSFETs til að ná nánast taplausum slóðum. Til dæmis, LTC4412 stjórnandi Analog Devices keyrir N-rás MOSFET með spennufalli sem er aðeins 10mV við 1A straum, sem er 97% lægra en 0,4V Schottky díóða. Í óþarfa aflgjafakerfi iðnaðar PLC er tveimur aflgjafanum sjálfkrafa skipt í gegnum LTC4412, sem eykur skilvirkni í 99,5% og dregur verulega úr hitauppstreymishönnun.

2. Þriggja fasa virk afriðunarbrú: útilokar spennufall díóða
Hin hefðbundna þriggja-fasa afriðunarbrú notar 6 díóða, sem hver um sig framkallar 0,7V spennufall, sem leiðir til orkutaps upp á yfir 10%. DC2465 matspjaldið frá Linear Technology Corporation (nú ADI) notar þrjá LT4320 tilvalið díóðabrúarstýringar til að keyra sex MOSFETs með litlum tapi, sem eykur skilvirkni úr 84% í 97% við 9V inntak. Það getur starfað stöðugt án þvingaðrar loftkælingar undir 25A álagi. Þessi lausn getur einfaldað varmahönnun og dregið úr kerfiskostnaði í aðstæðum eins og vindorkubreytum og UPS gagnaveri.

3, Snjöll stjórn: frá truflanirvörn til kraftmikilla aðlögunar, til að ná nákvæmri hitastjórnun
Hitatap díóða er í sterkri fylgni við vinnuaðstæður eins og straum, spennu og tíðni og hefðbundnar truflanir verndaraðferðir (eins og föst straumtakmörkunargildi) er erfitt að laga að kraftmiklum vinnuskilyrðum. Rauntíma eftirlit með stöðu tækisins með snjöllum stjórnalgrímum getur náð kraftmikilli bælingu á hitatapi.

1. Hitamatslíkan á mótum: forspár varmavörn
Með því að sameina núverandi sýnatöku og gögnum um hitaskynjara er hægt að smíða díóðamótshitamatslíkan til að gefa snemma viðvörun um hættu á hitauppstreymi. Til dæmis, í orkugeymslubreyti sem er stjórnað af STM32, er tengihitastigið (Tj) reiknað í rauntíma með því að taka sýni úr díóðustraumnum (If) og hitastig hitastigsins (Ths), ásamt hitauppstreymi tækisins (R θ jc, R θ cs)
Þegar Tj fer yfir öryggisþröskuldinn (eins og 140 gráður), dregur kerfið sjálfkrafa úr hlutfallsaðgerðum sínum til að forðast mikla skemmdir. Eftir að hafa tekið upp þetta kerfi lækkaði bilunartíðni díóða í tilteknum 15kW ljósvakara um 80%.

2. Dynamic biðminni hringrás: Bældu afturábak bata toppa
Reverse recovery current spike (IRR) er aðalþátturinn sem veldur rofatapi og EMI. Með því að tengja RC biðminni í báðum endum díóðunnar samhliða eða nota mjúka rofatækni er hægt að draga úr hámarks- og halatíma IRR. Til dæmis, í beitingu Xinghai RS röð hraðbata díóða, með því að fínstilla biðminni þétta færibreytur, er trr stytt úr 50ns í 20ns, Qrr minnkað um 40% og skilvirkni er bætt um 3% -5% í hátíðnileiðréttingarsviðum.

4, Verkfræðitilfelli: Æfing á fínstillingu hitataps í ljósvakara
100kW ljósaspennubreytir notaði upphaflega sílikon-hraðbata díóða, sem oft lentu í vandræðum með díóðasprengingu í háum-hitaumhverfi. Eftir greiningu er undirrótin:

Efnistakmarkanir: Trr sílikon-undirstaða díóða nær 100ns og Qrr er tiltölulega hátt, sem leiðir til allt að 25% rofatapshlutfalls;
Ófullnægjandi hitaleiðni: Með því að nota venjulegt kísillfeiti sem hitauppstreymisefni (TIM), rýrnaði R θ cs úr 0,5 gráður /W í 2,5 gráður /W eftir sex mánaða notkun og hitastig tengisins fór yfir staðalinn;
Stýringartöf: Föst straumtakmörkunarvörn getur ekki lagað sig að skyndilegum breytingum á lýsingu, sem leiðir til ofstraums díóða og kulnunar.
Hagræðingaráætlun:

Efnisuppfærsla: skipt út fyrir SiC Schottky díóða, trr stytt í 10ns, Qrr minnkað um 90% og rofatapshlutfall lækkað í 5%;
Endurbætur á hitaleiðni: nota fasabreytingarefni (eins og Chomerics THERM-A-GAP GEL 15) í stað kísilfeiti, stöðugleika R θ cs við 0,4 gráður /W og lækka tengihitastig um 30 gráður;
Snjöll stjórn: Kynning á mótshitamatslíkani til að stilla aflmagn á virkan hátt og forðast ofhitnun;
Fínstilling á svæðisfræði: Tengdu 10nF keramikþétta samhliða yfir díóðuna til að bæla afturábaka endurheimtartoppa og draga úr EMI hávaða um 15dB.
Innleiðingaráhrif: Eftir hagræðingu jókst skilvirkni invertersins úr 97,5% í 98,8%, bilunartíðni díóða var núllstillt og MTBF kerfið (meðaltími milli bilana) var framlengt í meira en 10 ár.