Как спроектировать диодную параллельную структуру в резервированной энергетической системе?

一, Выбор устройства: сопоставление параметров на основе сцены
1. Контроль мощности и дискретности по току.
Резервированные системы должны справляться со сценариями отказа одного модуля, а параллельные диоды должны соответствовать следующим требованиям:

Резервирование номинального тока: номинальный ток одной трубки должен быть больше или равен максимальному току нагрузки системы / (количество параллельных соединений x 0,8) с запасом безопасности 20%. Например, в системе 48 В/20 А, где 4 трубы соединены параллельно, следует выбрать модель с одной трубой на 30 А или выше.
Стабильность прямого падения напряжения: Дисперсия Vf диодов Шоттки должна быть меньше или равна 5%, чтобы избежать дисбаланса распределения тока, вызванного различиями в падении напряжения проводимости. В корпусе OBC нового энергетического автомобиля четыре диода Шоттки на 30 А с отклонением Vf ± 0,1 В были подключены параллельно, а для достижения отклонения тока использовался токоразделительный резистор сопротивлением 0,2 Ом.<± 5% in the entire temperature range.
2. Обратная характеристика и требования к защите.
Запас обратного выдерживаемого напряжения: VRRM диода должно быть больше или равно 1,5-кратному максимальному напряжению системы. Например, в системе, подключенной к фотоэлектрической сети, напряжение холостого хода солнечной панели может достигать 1000 В, и необходимо выбирать TVS-диоды с VRRM больше или равным 1500 В.
Оптимизация времени обратного восстановления: диоды со сверхбыстрым восстановлением с 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. Проектирование топологии: баланс избыточности и изоляции
1. Архитектура параллельного распределения тока
Пассивная схема распределения тока. Балансировка тока достигается путем последовательного подключения резисторов разделения тока с низкой индуктивностью 0,1–0,5 Ом. Некоторые промышленные источники питания ПЛК имеют параллельную конструкцию с двумя трубками, и резервную ветвь можно подключить в течение 10 мкс в случае отказа основной трубки. Потребляемая мощность токораспределительного резистора регулируется в пределах 0,5 Вт.
Схема активного распределения тока: при использовании микросхем активного распределения тока, таких как LTC4370, динамическое распределение тока достигается за счет регулировки напряжения на затворе. В случае источника питания центра обработки данных параллельная система с 4 лампами достигла ошибки распределения тока нагрузки.<± 2% through active current sharing control.
2. Конструкция с резервной изоляцией.
Топология с резервированием N+1: основной модуль и резервный модуль изолированы диодами, чтобы гарантировать, что сбой одного модуля не повлияет на выходные данные системы. Источник питания определенного медицинского оборудования имеет конструкцию резервирования 3+1, а резервный модуль изолирован от основной цепи с помощью диодов, время переключения при неисправности составляет менее 50 мкс.
Решение для последовательной замены МОП-транзисторов. В сценариях, требующих двунаправленной изоляции, два N-канальных МОП-транзистора соединяются друг с другом-в-обратно и объединяются с управляющей микросхемой LTC4416 для достижения изоляции с низкими потерями. В случае с серверным блоком питания это решение уменьшило падение напряжения проводимости с 0,45 В до 0,03 В, что привело к увеличению эффективности на 12 %.
3. Управление температурным режимом: синергия между рассеиванием тепла и надежностью.
1. Расчет энергопотребления и расчет тепловыделения.
Расчет потерь проводимости: P=Vf × Iavg, диоды с низким Vf должны быть приоритетными для сценариев с высоким током. Например, при токе 12А потребляемая мощность диода Шоттки 0,45В достигает 5,4Вт, и необходимо установить радиатор; Карбид-диод Шоттки 0,3 В имеет потребляемую мощность всего 3,6 Вт и может рассеивать тепло естественным путем.
Контроль термостойкости: использование упаковки с низким термическим сопротивлением (например, упаковки TO-220 с R θ JA=40 градус/Вт) в сочетании с теплопроводной силиконовой смазкой для контроля температуры соединения ниже 125 градусов. В примере модуля зарядки электромобиля повышение температуры диода было снижено с 45 до 25 градусов за счет оптимизации площади медной фольги печатной платы (более или равной 100 мм²/А).
2. Оптимизация компоновки и подавление паразитных параметров.
Контроль паразитной индуктивности: при разводке печатной платы длина выводов диода должна быть<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%.
Конструкция термомуфты: в сценариях с высокой плотностью мощности используется общая конструкция радиатора для обеспечения температурного баланса параллельных диодов. В конкретном случае с источником питания связи отклонение температуры перехода было уменьшено с 15 до 5 градусов за счет установки четырех диодов вплотную к радиатору.
4. Инженерная проверка: замкнутый-цикл от моделирования к фактическим измерениям
1. Проверка моделирования
Моделирование модели SPICE: создайте модель LTspice для параллельных цепей с диодами, чтобы проверить эффект распределения тока и распределение тепла. В одном случае с авиационным источником питания путем моделирования было обнаружено, что в параллельных диодах имелся 20%-ный дисбаланс токов. После оптимизации параметров сопротивления разделения тока дисбаланс удалось снизить до 5%.
Анализ теплового моделирования: FloTHERM и другие инструменты используются для моделирования пути рассеивания тепла и оптимизации структуры радиатора. В примере с источником питания для железнодорожного транспорта высота ребер радиатора была скорректирована с 15 мм до 20 мм посредством моделирования, что снизило максимальную температуру перехода со 130 до 115 градусов.
2. Тестирование надежности
HALT-тестирование: проверьте проектные ограничения посредством испытаний на долговечность при высоких ускорениях. В случае военного источника питания параллельная диодная структура не вышла из строя после 1000 циклов изменения температуры от -40 до +125 градусов.
Тестирование ЭМС: проверьте, соответствует ли шум, создаваемый обратным восстановлением диода, стандарту. В тематическом исследовании источника питания медицинского устройства конденсатор емкостью 100 пФ был подключен параллельно диоду, чтобы уменьшить излучаемые помехи с 45 дБ мкВ до 35 дБ мкВ.
5, типичные случаи применения
1. Резервный источник питания для базовых станций связи.
Использование 4 параллельных источников питания по 20 А, каждый из которых изолирован диодами Шоттки SR1660 (16 А/60 В). Обеспечьте высокую надежность благодаря следующей конструкции:

Выбор токораспределительного резистора: цементный резистор 0,3 Ом/5 Вт, гарантирующий, что ток одной трубки не превышает 15 А.
Конструкция рассеивания тепла: площадь радиатора больше или равна 200 см², температура перехода<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Функция защиты: TVS-диод (18 В/1 кВт) подавляет скачки напряжения, варистор (150 В) предотвращает перенапряжение.
2. Зарядный модуль для транспортных средств на новых источниках энергии.
Замена традиционных диодов на SiC MOSFET для обеспечения резервирования с низкими потерями:

Топология: спина-к-обратно C2M0080120D SiC MOSFET (1200 В/80 м Ом)
Схема управления: драйвер LTC4416, падение напряжения проводимости всего 0,1В.
Повышение эффективности: по сравнению с решениями на диодах Шоттки эффективность системы увеличилась с 92% до 96%.