Как улучшить пропускную способность по току через параллельные диоды?

一, Физическая основа и преимущества параллельной технологии
Основной принцип параллельного соединения диодов основан на механизме отвода тока. Теоретически, при параллельном соединении N диодов с одинаковыми параметрами общая пропускная способность по току может быть увеличена в N раз по сравнению с емкостью одного устройства. Например, в схеме выпрямителя на 50 А при параллельном использовании трех MUR2020 (номинальный ток 20 А) теоретически можно достичь способности обработки тока 60 А. Этот метод расширения имеет существенные преимущества:

Оптимизация затрат: по сравнению с использованием одного сильноточного устройства параллельная схема может снизить затраты за счет объединения стандартных устройств. Например, определенный проект фотоэлектрического инвертора снижает затраты на 40% за счет параллельного подключения четырех диодов Шоттки SS34 (номинальный ток 3 А) для замены одного устройства на 12 А.
Резервированная конструкция: параллельные структуры естественным образом обладают отказоустойчивостью. В случае выхода из строя диода оставшиеся компоненты сохраняют частичную работоспособность, что значительно повышает надежность системы. После принятия схемы параллельного подключения источника питания ИБП в определенном дата-центре MTBF (среднее время наработки на отказ) было увеличено до 200 000 часов.
Упрощенное рассеивание тепла: ток распределяется между несколькими устройствами, уменьшая плотность тепла в одной точке, что полезно для упрощения конструкции рассеивания тепла. В определенном модуле зарядки электромобиля параллельная схема уменьшает площадь радиатора на 30% и контролирует повышение температуры в пределах 45 градусов.
2. Основные проблемы и механизмы отказа параллельного проектирования.
Хотя параллельная технология имеет значительные преимущества, в практических инженерных приложениях необходимо решить две основные проблемы:

Неравномерное распределение тока: из-за отклонений в производственном процессе существует разница в прямом падении напряжения (V_F) более 0,1 В даже для диодов одной и той же модели. Устройства с более низким напряжением напряжения будут преимущественно проводить и выдерживать больший ток, что приводит к локальному перегреву. Испытание системы мониторинга фотоэлектрической цепочки показывает, что параллельные диоды с разницей VF 0,15 В могут обеспечить коэффициент распределения тока 3: 1, а повышение температуры устройств с высокой нагрузкой на 25 градусов выше среднего значения.
Риск температурного разгона: неравномерный ток может вызвать локальный перегрев, что еще больше снижает VF устройства и образует петлю положительной обратной связи. В одном случае промышленного электропитания параллельная схема без мер по разделению тока привела к выходу из строя всего модуля из-за перегрева и выгорания диода через 2 часа работы при полной нагрузке.
3. Стратегии оптимизации и инженерные практики для отраслевой проверки.
Для решения вышеупомянутых проблем отрасль разработала зрелые решения по оптимизации, которые охватывают три уровня: выбор устройства, проектирование схемы и управление температурным режимом.

1. Выбор и сопоставление устройства
Проверка одной и той же партии. Приоритет следует отдавать выбору устройств из одной производственной партии и резке пластин, чтобы обеспечить высокую согласованность таких параметров, как VF и время обратного восстановления (t_rr). Определенный производитель фотоэлектрических инверторов строго проверял и контролировал дисперсию VF в пределах ± 0,05 В.
Приоритет диода Шоттки: по сравнению с обычными диодами с PN-переходом, диоды Шоттки имеют более низкую VF (0,3–0,6 В) и лучшую согласованность параметров. В сценариях низкого напряжения и высокого тока (например, зарядные модули 12 В/20 А) параллельная схема Шоттки улучшает эффект разделения тока более чем на 50% по сравнению с обычными диодами.
Устройства в многочиповом корпусе: использование многочипового корпуса, в котором уже выполнено внутреннее параллельное согласование (например, двойной корпус Шоттки), может упростить проектирование внешней схемы. После применения таких устройств в определенном проекте по обеспечению связи площадь печатной платы была уменьшена на 40%, а эффективность сборки повышена на 30%.
2. Оптимизация схемы
Конструкция резистора, разделяющего ток: подключите резисторы небольшого сопротивления (обычно 0,1–0,5 Ом) последовательно с каждым диодом, чтобы добиться баланса токов за счет падения напряжения на резисторе. Чем больше ток, тем меньше должно быть значение сопротивления. Например, в параллельной цепи на 100 А выбор токораспределительного резистора сопротивлением 0,1 Ом позволяет контролировать отклонение распределения тока в пределах ± 5%.
Технология активного распределения тока. Для сценариев с высокой-точностью распределения тока можно использовать схему динамического распределения тока с использованием параллельных МОП-транзисторов. Определяя ток каждой ветви и регулируя сопротивление МОП-транзистора в режиме реального-времени, можно добиться точного распределения тока. После принятия этой схемы точность распределения тока определенного блока питания сервера была улучшена до ± 2%, а потери эффективности сократились до менее 0,5%.
Оптимизация компоновки и проводки: обеспечьте симметричное расположение параллельных устройств, сократите пути тока и уменьшите паразитную разницу индуктивностей. В технических характеристиках определенной станции зарядки электромобилей требуется, чтобы разница длин параллельных выводов диода не превышала 0,5 мм, чтобы уменьшить звон напряжения при высокочастотном переключении.
3. Укрепить терморегулирование
Оптимизация структуры рассеивания тепла: для повышения эффективности теплопроводности используются такие материалы, как равномерные тепловые пластины и теплопроводящая силиконовая смазка. Определенный фотоэлектрический инвертор улучшает равномерность повышения температуры на 20 градусов за счет размещения пластины распределения тепла под параллельными диодами.
Тепловое моделирование и проверка. Проведите тепловое моделирование с помощью таких инструментов, как ANSYS Icepak, чтобы оптимизировать размер радиатора и скорость вращения вентилятора. Определенный промышленный энергетический проект позволил снизить затраты на рассеяние тепла на 15 % за счет моделирования, при этом соблюдая стандарт испытаний на тепловой удар IEC 60068-2-1.
Мониторинг температуры в реальном времени: установите термистор NTC на поверхности ключевых компонентов в сочетании с MCU для защиты от перегрева. Благодаря этому решению ИБП для центра обработки данных сократил время реакции на неисправность до менее 10 мс.
4. Типичные сценарии применения и анализ преимуществ.
1. Вторичное выпрямление фотоэлектрического инвертора.
В струнном инверторе вторичное выпрямление должно выдерживать ток 10–30 А. После принятия схемы параллельного диода Шоттки:

Повышение эффективности: потери проводимости были снижены с 11 Вт (обычная трубка с быстрым восстановлением) до 5 Вт (трубка Шоттки), что привело к увеличению эффективности на 6 процентных пунктов.
Повышение надежности: среднее время безотказной работы увеличилось с 150 000 часов до 250 000 часов, а годовая частота отказов снизилась на 60%.
Оптимизация затрат: снижение стоимости спецификации для одного инвертора
8. Рассчитанная на основе годового производства 100 000 единиц, достигается годовая экономия затрат.
800000.
2. Модуль зарядки электромобиля.
На зарядной станции переменного тока мощностью 7 кВт и повышающий каскад PFC, и каскад выходного выпрямителя требуют параллельных диодов:

Улучшение плотности мощности: за счет параллельного подключения диодов Шоттки из карбида кремния плотность мощности увеличивается с 0,5 кВт/л до 0,8 кВт/л, а объем уменьшается на 37,5%.
Улучшение характеристик ЭМС: время обратного восстановления уменьшено с 50 нс (лампа сверхбыстрого восстановления) до 0 нс (трубка Шоттки), уровень электромагнитных помех снижен на 10 дБ.
Снижение затрат на протяжении всего жизненного цикла. Хотя стоимость одного устройства увеличивается на 20 %, повышение эффективности системы и снижение затрат на рассеивание тепла приводят к снижению общей стоимости владения (TCO) за 5 лет на 15 %.
3. Высокочастотное выпрямление промышленного электропитания.
В источнике питания связи 48 В/100 А используется параллельная схема сверхбыстрого восстанавливающегося диода:

Снижение потерь на переключение: время t-rr уменьшилось с 300 нс до 50 нс, что привело к снижению потерь на переключение на 80 % и повышению эффективности с 92 % до 95 %.
Подавление выходных пульсаций: пик обратного тока восстановления снижается с 5 А до 1 А, а выходное пульсация напряжения снижается с 200 мВ до 50 мВ.
Улучшенный процент прохождения сертификации: соответствует требованиям IEC 61000-4-5 к испытаниям на перенапряжение, а процент первого прохождения продукта увеличился с 70% до 95%.