Как да проектирам диодна паралелна структура в резервирана енергийна система?

一, Избор на устройство: Съвпадение на параметри, базирани на сцена
1. Контрол на капацитета и дискретността на тока
Излишните системи трябва да се справят със сценарии за отказ на един модул, а паралелните диоди трябва да отговарят на следните изисквания:

Излишък от номинален ток: Номиналният ток на единична тръба трябва да бъде по-голям или равен на максималния ток на натоварване на системата/(брой паралелни връзки x 0,8), със запазена граница на безопасност от 20%. Например, в система 48V/20A, където 4 тръби са свързани паралелно, трябва да се избере модел с една тръба от 30A или по-висок.
Консистенция на падане на напрежението: Vf дисперсията на диодите на Шотки трябва да бъде по-малка или равна на 5%, за да се избегне дисбаланс на разпределението на тока, причинен от разликите в падането на напрежението на проводимост. В ново енергийно превозно средство OBC случай, четири 30A диода на Шотки с Vf отклонение от ± 0,1 V бяха свързани паралелно и 0,2 Ω резистор за споделяне на ток беше използван за постигане на токово отклонение от<± 5% in the entire temperature range.
2. Обратни характеристики и изисквания за защита
Марж на обратно издържано напрежение: Диодът VRRM трябва да бъде по-голям или равен на 1,5 пъти максималното системно напрежение. Например в система, свързана с фотоволтаична мрежа, напрежението на отворена верига на слънчевия панел може да достигне 1000 V и трябва да бъдат избрани TVS диоди с VRRM, по-голямо или равно на 1500 V.
Оптимизация на времето за обратно възстановяване: Ултра бързи диоди за възстановяване 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, Топологичен дизайн: Балансиране на излишъка и изолацията
1. Архитектура за паралелно споделяне на ток
Схема за пасивно споделяне на ток: Балансирането на тока се постига чрез последователно свързване на резистори за споделяне на ток с ниска индуктивност 0,1-0,5 Ω. Определено промишлено PLC захранване приема паралелен дизайн с двойна тръба и резервният клон може да бъде свързан в рамките на 10 μs, когато основната тръба се повреди. Консумацията на мощност на резистора за споделяне на ток се контролира в рамките на 0,5 W.
Схема за активно споделяне на ток: като се използват чипове за активно споделяне на ток като LTC4370, динамичното разпределение на тока се постига чрез регулиране на напрежението на гейта. В случай на захранване на център за данни, 4-тръбна паралелна система постигна грешка в разпределението на тока на натоварване<± 2% through active current sharing control.
2. Излишен дизайн на изолация
N+1 излишна топология: Основният модул и резервният модул са изолирани чрез диоди, за да се гарантира, че повреда на единичен модул няма да повлияе на системния изход. Захранването на определено медицинско оборудване приема 3+1 резервен дизайн, а резервният модул е ​​изолиран от главната верига чрез диоди, с време за превключване при повреда по-малко от 50 μ s.
Решение за замяна на MOSFET с гръб към гръб: В сценарии, които изискват двупосочна изолация, два N-канални MOSFET са свързани гръб-с-гръб и комбинирани с контролния чип LTC4416 за постигане на изолация с ниски загуби. В случай на сървърно захранване това решение намали спада на напрежението на проводимост от 0,45 V на 0,03 V, което доведе до 12% увеличение на ефективността.
3, Термично управление: синергия между разсейване на топлината и надеждност
1. Изчисляване на консумацията на енергия и проектиране на разсейване на топлината
Изчисляване на загубата на проводимост: P=Vf × Iavg, диодите с ниско Vf трябва да имат приоритет за сценарии с висок ток. Например, при ток от 12A, консумацията на 0,45V диод на Шотки достига 5,4W и трябва да се инсталира радиатор; Диодът на Шотки 0,3 V SiC има консумация на енергия от само 3,6 W и може да разсейва топлината по естествен път.
Контрол на термичното съпротивление: Използване на опаковка с ниско термично съпротивление (като опаковка TO-220 с R θ JA=40 степен /W), комбинирана с топлопроводима силиконова грес за контролиране на температурата на свързване под 125 градуса. В казус на модул за зареждане на електрическо превозно средство повишаването на температурата на диода беше намалено от 45 градуса на 25 градуса чрез оптимизиране на площта на медното фолио на PCB (по-голямо или равно на 100 mm²/A).
2. Оптимизиране на оформлението и потискане на паразитни параметри
Контрол на паразитна индуктивност: При оформление на печатни платки дължината на диодния щифт трябва да бъде<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%.
Дизайн на термично свързване: При сценарии с висока плътност на мощността се използва общ дизайн на радиатор, за да се осигури температурен баланс на паралелни диоди. В определен случай на комуникационно захранване, температурното отклонение на прехода беше намалено от 15 градуса на 5 градуса чрез инсталиране на четири диода плътно срещу радиатора.
4, Инженерна проверка: затворен- цикъл от симулация до действително измерване
1. Симулационна проверка
Симулация на SPICE модел: Създайте LTspice модел за диодни паралелни вериги, за да проверите ефекта на споделяне на тока и топлинното разпределение. В определен случай на авиационно захранване чрез симулация беше установено, че има 20% токов дисбаланс в паралелни диоди. След оптимизиране на параметрите на съпротивлението на текущото споделяне, дисбалансът беше намален до 5%.
Анализ на термична симулация: FloTHERM и други инструменти се използват за симулиране на пътя на разсейване на топлината и оптимизиране на структурата на радиатора. В казус на железопътно транзитно захранване, височината на ребрата на радиатора беше регулирана от 15 mm на 20 mm чрез симулация, намалявайки максималната температура на кръстовището от 130 градуса на 115 градуса.
2. Тестване на надеждността
HALT тестване: Проверете проектните ограничения чрез тестване на живота при високо ускорение. В случай на военно захранване диодната паралелна структура не се повреди след 1000 цикъла на температурни цикли от -40 градуса до +125 градуса.
EMC тестване: Проверете дали шумът, генериран от обратното възстановяване на диода, отговаря на стандарта. В казус на захранване на медицинско устройство, кондензатор от 100pF беше свързан успоредно през диода, за да се намалят излъчените смущения от 45dB μV на 35dB μV.
5, Типични случаи на приложение
1. Резервно захранване за комуникационни базови станции
Използване на 4 паралелни 20A захранвания, всяко изолирано от SR1660 Шотки диоди (16A/60V). Реализирайте висока надеждност чрез следния дизайн:

Избор на резистор за споделяне на ток: циментов резистор 0,3 Ω/5W, като се гарантира, че токът на една тръба не надвишава 15A
Конструкция за разсейване на топлината: площ на радиатора По-голяма или равна на 200 cm², температура на свързване<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Защитна функция: TVS диод (18V/1kW) потиска пренапрежението, варистор (150V) предотвратява пренапрежение
2. Заряден модул за превозни средства с нова енергия
Замяна на традиционните диоди с SiC MOSFET за постигане на излишък с ниски загуби:

Топология: гръб-към-гръб C2M0080120D SiC MOSFET (1200V/80m Ω)
Схема на управление: драйвер LTC4416, с падане на напрежението на проводимост от само 0.1V
Подобряване на ефективността: В сравнение с решенията с диоди на Шотки, ефективността на системата се е увеличила от 92% на 96%