Как выбрать диоды, подходящие для высоковольтных энергетических систем?

一, Техническая классификация и основные характеристики высоковольтных-диодов.
1. Классифицировать по материалу и конструкции.
Высоковольтный диод на основе кремния-: распространенный вариант, выдерживает напряжение в несколько тысяч вольт и имеет длительное время обратного восстановления (микросекундный уровень), подходит для выпрямления промышленной частоты.
Карбид-кремниевый (SiC) высоковольтный-диод: выдерживаемое напряжение превышает 3300 В, время обратного восстановления сокращается до наносекунд, а также отличные характеристики при высоких-температурах (температура перехода может достигать 200 градусов), что подходит для сценариев высокочастотного переключения.
Диод из пассивированного стекла (GPP): за счет обжига слоя стекла на поверхности PN-перехода улучшается стабильность напряжения и влагостойкость, типичное сопротивление напряжению составляет 600–1200 В.
2. Классифицировать по функциям
Выпрямительный диод: преобразует переменный ток в постоянный, с основными параметрами максимального выпрямленного тока (IF) и времени обратного восстановления (Trr).
Диод быстрого восстановления (FRD): Trr Меньше или равно 50 нс, подходит для высокочастотных-сценариев, таких как импульсные источники питания и инверторы.
Диод Шоттки (SBD): снижение напряжения в прямом направлении (0,3–0,5 В), время обратного восстановления отсутствует, но выдерживаемое напряжение ограничено (обычно менее или равно 200 В), что требует последовательного подключения для увеличения выдерживаемого напряжения.
Диод подавления переходных напряжений (TVS): время отклика Меньше или равно 1 нс, точное напряжение фиксации, используется для молниезащиты и защиты от перенапряжения.
2. Шесть основных параметров для выбора высоковольтных-диодов.
1. Сопротивление напряжению (VRRM/VBR)
Определение: Максимальное обратное повторяющееся пиковое напряжение (VRRM) должно быть в 1,5-2 раза выше максимального напряжения системы во избежание пробоя, вызванного колебаниями напряжения.
Принцип выбора:
Сторона постоянного тока фотоэлектрического инвертора: для системы 1500 В требуется диод на 1700 В (например, серия Taike Tianrun G3S170).
Тяговая система железнодорожного транспорта: для системы 3300 В требуется SiC-диод на 3300 В (например, серия Taike Tianrun G3S330).
2. Пропускная способность (IF/IFSM)
Определение: Средний выпрямленный ток (ПЧ) должен быть в 1,5 раза выше среднего тока системы; Пиковый импульсный ток (IFSM) должен выдерживать мгновенное воздействие во время запуска или короткого замыкания.
Принцип выбора:
Промышленный привод: выберите IF, превышающий или равный 2-кратному номинальному току, IFSM, превышающий или равный 10-кратному номинальному току.
Фотоэлектрический инвертор: выберите IF, превышающий или равный 1,5-кратному максимальному выходному току, IFSM, превышающий или равный 20 кА (форма сигнала 8/20 мкс).
3. Скорость переключения (Trr/Ton/Off)
Определение. Время обратного восстановления (Trr) определяет потери при переключении в высокочастотных-сценариях; Время включения/выключения влияет на скорость реакции системы.
Принцип выбора:
Switching power supply (>10 кГц): выберите диоды с быстрым восстановлением с Trr менее или равным 50 нс (например, ASEMI MUR1660AC, Trr=35ns).
Инвертор из карбида кремния: выберите диоды SiC с Trr менее или равным 10 нс (например, серия Taike Tianrun G3S170, Trr=8ns).
4. Положительное падение напряжения (VF).
Определение: При проведении напряжение на обоих концах напрямую влияет на эффективность системы.
Принцип выбора:
Сценарии с низким напряжением и высоким током (например, системы с напряжением 48 В постоянного тока): приоритет следует отдавать выбору диодов Шоттки с напряжением VF менее или равным 0,5 В.
Сценарии с высоким напряжением (например, выше 1000 В): выбирайте SiC-диоды с напряжением VF менее или равным 2,5 В, что может повысить эффективность на 3–5 % по сравнению с кремниевыми диодами.
5. Тепловые характеристики (TjM/Rth)
Определение: максимальная температура перехода (TjM) должна быть ниже предельного значения устройства (150 градусов для кремниевых трубок, 200 градусов для трубок SiC); Термическое сопротивление (Rth) определяет эффективность рассеивания тепла.
Принцип выбора:
Модуль питания высокой плотности: выберите устройства в корпусе TO-247 с Rth меньше или равным 0,5 градуса/Вт.
Применение в закрытой среде: выберите устройства с TjM больше или равным 175 градусам и зарезервируйте пространство для снижения номинальных характеристик.
6. Сертификация надежности
Ключевые критерии:
Сертификация безопасности: UL (Северная Америка), TUV (Германия), CQC (Китай).
Испытание на срок службы: Протестировано в течение 1000 часов с использованием HTRB (высокотемпературное обратное смещение).
Надежность упаковки. Избегайте использования осевой заглушки-в упаковке и отдавайте предпочтение упаковке SMT (например, DFN8 × 8).
3. Процесс выбора высоковольтного диода и анализ случая
1. Процесс отбора
Анализ требований: уточнение параметров системы, таких как напряжение, ток, частота и температура окружающей среды.
Классификация устройств: выберите выпрямитель, устройство быстрого восстановления, TVS и другие типы в соответствии с функциональными требованиями.
Сопоставление параметров: Отбор потенциальных устройств на основе основных параметров (сопротивление напряжению, ток, скорость).
Проект снижения номинальных характеристик: снижение напряжения в 1,5-2 раза, снижение тока в 1,2-1,5 раза.
Проверка надежности: проверьте надежность устройства с помощью HALT (тест на долговечность при высоких ускорениях).
2. Типичные случаи применения
Случай 1: Защита постоянного тока фотоэлектрического инвертора
Требование: система на 1500 В должна выдерживать импульсный ток 20 кА с КПД не менее 98%.
План отбора:
Главный выпрямитель: SiC-диод Taike Tianrun 1700 В/50 А (G3S750P), VF=1.7V, Trr=8ns.
Защита от перенапряжения: TVS-диод Toshiba HN1D05FE (VR=400V, IPP=20kA).
Эффект: эффективность системы повышена на 2%, время срабатывания защиты от перенапряжения меньше или равно 1 нс.
Случай 2: Преобразователь тяги для железнодорожного транспорта
Требование: система 3300 В, частота коммутации 5 кГц, устойчивость к току короткого- замыкания 100 кА.
План отбора:
Модуль выпрямления: SiC-диод Taike Tianrun 3300 В/50 А (G3S33050P), IFSM=100кА.
Диод быстрого восстановления: ASEMI MUR3060PT (600 В/30 А, Trr=35ns).
Эффект: Объем системы уменьшен на 30%, а потери в переключателях уменьшены на 40%.
4. Будущие тенденции в выборе высоковольтных диодов.
1. Популяризация широкозонных полупроводников.
SiC-диоды имеют выдерживаемое напряжение более 3300 В, а прямое падение напряжения снижено до 1,5 В, что делает их пригодными для распределительных систем среднего напряжения выше 10 кВ.
Диоды из нитрида галлия (GaN) перешли в область высоких-напряжений, время обратного восстановления которых сократилось до менее 1 нс.
2. Интеллектуальный инструмент выбора
Поставщик предоставляет платформу онлайн-моделирования (например, селектор Taike Tianrun SiC), которая автоматически рекомендует комбинации устройств после ввода параметров системы.
Технология цифровых двойников используется для прогнозирования срока службы и режимов отказов устройств в экстремальных условиях эксплуатации.
3. Модуляризация и интеграция
Диод и IGBT/MOSFET интегрированы в один модуль (например, серия Infineon EasyPACK), что упрощает проектирование системы.
Упаковка Press Pack повышает ударопрочность и эффективность рассеивания тепла высоко-устройств.