Как защитить диоды в энергетическом оборудовании, работающем при высоких температурах и высокой влажности?

一, Выбор материала: Подходит для устройств, устойчивых к влаге, нагреву и высоким температурам.
1. Оптимизация упаковочных материалов
В условиях высокой температуры и высокой влажности традиционная упаковка из эпоксидной смолы склонна к расслоению или эффекту попкорна из-за проникновения водяного пара. Диоды промышленного класса изготавливаются из силикона или керамики, что позволяет значительно повысить их устойчивость к влаге и нагреву. Например, в одном проекте фотоэлектрического инвертора были выбраны диоды Шоттки в керамической капсуле. После непрерывной работы в течение 1000 часов в двойном тесте 85 (85 градусов/85% относительной влажности) внутри упаковки не наблюдалось явления расслоения, в то время как обычные устройства, герметизированные эпоксидной смолой, взорвались через 500 часов.

2. Обновление процесса чипа
Для условий с высокими-температурами следует выбирать микросхемы с низкими характеристиками тока утечки. Например, использование диодов из карбида кремния (SiC) позволяет значительно снизить обратный ток утечки при высоких температурах. Сравнительное тестирование определенного проекта преобразователя морской ветровой энергии показывает, что при температуре перехода 125 градусов обратный ток утечки SiC-диодов снижается на 80 % по сравнению с диодами на основе кремния-, а эффективность системы повышается на 2,3 %.

3. Принципы снижения номинальных характеристик конструкции
В условиях высоких-температур номинальные характеристики диодов необходимо снижать в соответствии с их фактической рабочей температурой. Например, если номинальное обратное напряжение устройства составляет 60 В, рекомендуется выбрать уровень выдерживаемого напряжения 100 В или выше при температуре 85 градусов, чтобы сохранить запас прочности. Определенный проект системы хранения энергии снизил частоту отказов устройств с 5% до 0,3% за счет увеличения уровня выдерживаемого напряжения диода с 60 В до 100 В.

2. Структурное проектирование: управление температурным режимом и изоляционная защита.
1. Укрепить структуру рассеивания тепла.
Расширение медной фольги. При разводке печатных плат увеличение площади медной фольги увеличивает теплопроводность. Определенный проект фотоэлектрического контроллера увеличил площадь медной фольги под диодом с 10 мм² до 50 мм², снизив температуру перехода на 15 градусов.
Встроенный радиатор: вместе с радиаторами используются пакеты с высокой эффективностью рассеивания тепла, такие как DFN и TO-220. Например, в одном проекте промышленного ИБП используются корпусированные диоды ТО-220 и устанавливаются алюминиевые радиаторы для контроля температуры перехода в пределах 120 градусов во время работы с полной нагрузкой.
Применение термопрокладки: Заполнение термопасты или термопрокладки между диодом и радиатором может снизить контактное тепловое сопротивление. Испытания показали, что использование силиконовой термопрокладки толщиной 0,5 мм позволяет снизить тепловое сопротивление с 2 град/Вт до 0,8 град/Вт.
2. Конструкция электрической изоляции
Параллельное соединение токораспределительных резисторов. При параллельном подключении нескольких диодов к каждому диоду последовательно следует подключить низкоомный токораспределительный резистор (например, 0,1 Ом), чтобы избежать неравномерного распределения тока из-за различий в прямом падении напряжения. Определенный проект схемы балансировки аккумуляторной батареи позволил снизить отклонение тока параллельных диодов с 30% до 5% благодаря этой конструкции.
Диод защиты от обратного: параллельное подключение обратных диодов на обоих концах основного диода может предотвратить выход из строя основного диода, когда обратное напряжение слишком велико. Например, в определенном проекте модуля зарядки электромобиля используется эта схема, которая сокращает время срабатывания защиты от обратного перенапряжения до 10 нс.
3. Экологический контроль: изоляция микросреды и оптимизация вентиляции.
1. Повышение уровня защиты
Стандарт защиты IP: выбирайте оборудование со степенью защиты IP65 (пыле- и водонепроницаемость) или IP67 (водонепроницаемость) в зависимости от влажности окружающей среды. В одном проекте морской буровой платформы используются защитные диодные модули IP67, которые не подвергаются коррозии после непрерывной работы в среде солевого тумана в течение 3 лет.
Интеграция в шкаф управления: поместите диодный модуль в герметичный шкаф управления и установите кондиционер или теплообменники для регулирования температуры и влажности. Например, в проекте ИБП в центре обработки данных используется шкаф управления, поддерживающий внутреннюю температуру ниже 40 градусов и влажность в пределах 50% относительной влажности, тем самым продлевая срок службы диодов на 40%.
2. Оптимизация системы вентиляции.
Конструкция с принудительным воздушным охлаждением: в энергоемких приложениях для принудительной вентиляции используются вентиляторы. В одном проекте фотоэлектрического инвертора была оптимизирована конструкция воздуховода, чтобы увеличить скорость воздушного потока вокруг диода до 3 м/с и снизить температуру перехода на 20 градусов.
Улучшение естественной конвекции. В сценариях низкой-мощности увеличение расстояния или угла наклона ребер радиатора может повысить эффективность естественной конвекции. Испытания показали, что увеличение расстояния между ребрами с 2 мм до 5 мм повышает эффективность рассеивания тепла на 15%.
4. Мониторинг и защита: обратная связь в реальном времени и активное вмешательство.
1. Система контроля температуры.
Интеграция термистора. Установите термистор NTC рядом с диодом, чтобы контролировать температуру перехода в-режиме реального времени. В рамках определенного проекта системы управления аккумуляторной батареей посредством этой схемы автоматически активируется защита по ограничению тока, когда температура перехода превышает 125 градусов, чтобы избежать термического разгона.
Технология инфракрасного измерения температуры: использование инфракрасных датчиков для бесконтактного контроля температуры поверхности диодов. Например, проект ветроэнергетического инвертора обеспечивает точный контроль погрешности температуры перехода ± 2 градуса за счет инфракрасного измерения температуры.
2. Механизм защиты от перегрузки.
Подавитель переходного напряжения (TVS): TVS-диод подключается параллельно входу диода для подавления ударов молнии или переключения перенапряжений. Благодаря этой конструкции в одном проекте фотоэлектрической батареи ее устойчивость к перенапряжению была улучшена с 1 кВ до 6 кВ.
Программный алгоритм ограничения тока. В цифровых системах управления ток диода динамически регулируется с помощью алгоритмов. Например, в определенном проекте зарядной станции для электромобилей используется ПИД-управление ограничением тока, чтобы сократить время реакции на перегрузку до 50 мс.
5. Практический пример: Практика защиты морских ветроэнергетических преобразователей.
Некий морской ветроэнергетический проект расположен в субтропических водах с температурой окружающей среды 45 градусов и влажностью 90% относительной влажности. В исходной конструкции использовались обычные кремниевые диоды-, и процент отказов после года эксплуатации достигал 12 %. План улучшения включает в себя:

Модернизация устройства: заменен диод SiC, уровень термостойкости увеличен до 175 градусов;
Улучшение рассеивания тепла: благодаря использованию упаковки DFN и установке медных радиаторов температура перехода снижается со 150 до 110 градусов;
Изоляция от окружающей среды: поместите диодный модуль в шкаф управления с защитой IP67 и установите устройство осушения;
Мониторинг и защита: встроенный термистор и TVS-диод для двойной защиты по температуре и напряжению.
После усовершенствования система работала непрерывно в течение 3 лет без каких-либо отказов диодов, при этом годовая выработка электроэнергии увеличилась на 8%, а затраты на техническое обслуживание снизились на 60%.