Как да подобрим капацитета за носене на ток чрез паралелни диоди?

一, Физическата основа и предимствата на паралелната технология
Основният принцип на паралелното свързване на диоди се основава на механизма за отклоняване на тока. На теория, когато N диода с идентични параметри са свързани паралелно, общият капацитет на ток може да бъде увеличен до N пъти по-голям от този на едно устройство. Например, в 50A токоизправителна верига, използването на три MUR2020 (номинален ток 20A) в паралел теоретично може да постигне способност за обработка на ток от 60A. Този метод на разширяване има значителни предимства:

Оптимизиране на разходите: В сравнение с използването на едно устройство с голям ток, паралелната схема може да намали разходите чрез комбиниране на стандартни устройства. Например, определен проект за фотоволтаичен инвертор намалява разходите с 40% чрез паралелно свързване на четири SS34 диода на Шотки (номинален ток 3A), за да замени едно устройство 12A.
Излишен дизайн: Паралелните структури естествено имат толерантност към грешки. Когато един диод се повреди, останалите компоненти все още могат да поддържат частична функционалност, значително подобрявайки надеждността на системата. След приемането на паралелна схема за свързване на UPS захранване в определен център за данни, MTBF (средното време между отказите) е увеличено до 200 000 часа.
Опростено разсейване на топлината: Токът се разпръсква между множество устройства, намалявайки топлинната плътност на една точка, което е от полза за опростяване на дизайна на разсейване на топлината. В определен модул за зареждане на електрически превозни средства, паралелната схема намалява площта на радиатора с 30% и контролира повишаването на температурата в рамките на 45 градуса.
2, Основните предизвикателства и механизми за отказ на паралелния дизайн
Въпреки че паралелната технология има значителни предимства, два основни проблема трябва да бъдат разгледани в практическите инженерни приложения:

Неравномерно разпределение на тока: Поради отклонения в производствения процес, има разлика от над 0,1 V в падането на напрежението напред (V_F) дори за диоди от същия модел. Устройствата с по-ниска VF за предпочитане ще провеждат и понасят повече ток, което води до локално прегряване. Тест на система за мониторинг на фотоволтаични низове показва, че паралелни диоди с VF разлика от 0,15 V могат да постигнат съотношение на разпределение на тока от 3:1, а повишаването на температурата на устройства с голямо натоварване е с 25 градуса по-високо от средната стойност.
Риск от термично изтичане: неравномерният ток може да причини локално прегряване, допълнително намаляване на VF на устройството и образуване на положителна обратна връзка. В определен случай на промишлено захранване, паралелна схема без мерки за споделяне на ток доведе до повреда на целия модул поради прегряване и изгаряне на диод след 2 часа работа при пълно натоварване.
3, Стратегии за оптимизация и инженерни практики за индустриално валидиране
За да се справи с гореспоменатите проблеми, индустрията е разработила зрели решения за оптимизация, които покриват три нива: избор на устройство, дизайн на веригата и управление на топлината

1. Избор на устройство и съвпадение
Скрининг на същата партида: Трябва да се даде приоритет на избора на устройства от една и съща производствена партида и рязане на пластини, за да се осигури висока последователност на параметри като VF и време за обратно възстановяване (t_rr). Определен производител на фотоволтаични инвертори стриктно е проверил и контролирал VF дисперсията в рамките на ± 0,05 V.
Приоритет на диода на Шотки: В сравнение с обикновените диоди с PN преход, диодите на Шотки имат по-ниска VF (0,3-0,6 V) и по-добра последователност на параметрите. При сценарии с ниско напрежение и висок ток (като 12V/20A модули за зареждане), паралелната схема на Шотки подобрява ефекта на споделяне на ток с повече от 50% в сравнение с обикновените диоди.
Устройства за опаковане с множество чипове: използването на опаковки с множество чипове, които вече са завършили вътрешно паралелно съпоставяне (като двойно опаковане на Шотки), може да опрости външния дизайн на веригата. След приемането на такива устройства в определен проект за комуникационна мощност, площта на печатната платка е намалена с 40% и ефективността на сглобяване е подобрена с 30%.
2. Оптимизиране на дизайна на веригата
Дизайн на резистор за споделяне на ток: Свържете резистори с малко съпротивление (обикновено 0,1-0,5 Ω) последователно с всеки диод, за да постигнете баланс на тока чрез спад на напрежението на резистора. Колкото по-голям е токът, толкова по-малка трябва да бъде стойността на съпротивлението. Например, в 100A паралелна верига, избирането на резистор за споделяне на ток от 0,1 Ω може да контролира отклонението на разпределението на тока в рамките на ± 5%.
Технология за активно споделяне на ток: За сценарии на търсене с висока{0}}прецизност може да се приеме динамична схема за споделяне на ток, използваща паралелни MOSFET. Чрез откриване на тока на всеки клон и регулиране на съпротивлението на MOSFET в реално-време може да се постигне точно споделяне на тока. След приемането на тази схема точността на текущото споделяне на определено сървърно захранване беше подобрена до ± 2%, а загубата на ефективност беше намалена до по-малко от 0,5%.
Оптимизиране на оформлението и окабеляването: Осигурете симетрично разположение на паралелни устройства, скъсете токовите пътища и намалете паразитните разлики в индуктивността. Спецификациите на дизайна за определена станция за зареждане на електрически превозни средства изискват разликата в дължината на успоредните диодни щифтове да не надвишава 0,5 mm, за да се намали звъненето на напрежението при високо-честотно превключване.
3. Укрепване на термичното управление
Оптимизиране на структурата за разсейване на топлината: Използват се материали като равномерни нагревателни плочи и топлопроводима силиконова грес за подобряване на ефективността на топлопроводимостта. Определен фотоволтаичен инвертор подобрява равномерността на повишаване на температурата с 20 градуса чрез полагане на топлоразпределителна плоча под паралелни диоди.
Термична симулация и проверка: Извършете термична симулация с помощта на инструменти като ANSYS Icepak, за да оптимизирате размера на радиатора и скоростта на вентилатора. Определен индустриален енергиен проект намали разходите за разсейване на топлината с 15% чрез симулация, като същевременно отговаря на стандарта IEC 60068-2-1 за изпитване на термичен шок.
Наблюдение на температурата в реално време: Инсталирайте NTC термистор на повърхността на ключови компоненти, комбиниран с MCU, за да постигнете защита от прегряване. UPS захранването на центъра за данни съкрати времето за реакция при повреда до по-малко от 10 ms чрез това решение.
4, Типични сценарии за приложение и анализ на ползите
1. Вторично изправяне на фотоволтаичен инвертор
В стринговия инвертор вторичното изправяне трябва да поеме 10-30A ток. След приемане на схемата на паралелния диод на Шотки:

Подобряване на ефективността: Загубата на проводимост е намалена от 11 W (обикновена тръба за бързо възстановяване) на 5 W (тръба на Шотки), което води до 6 процентни пункта увеличение на ефективността.
Подобряване на надеждността: MTBF се е увеличил от 150 000 часа на 250 000 часа, а годишният процент на отказ е намалял с 60%.
Оптимизиране на разходите: намаляване на разходите за BOM за един инвертор
8. Изчислено въз основа на годишно производство от 100 000 единици, годишните икономии на разходи се постигат
800000.
2. Модул за зареждане на електрически превозни средства
В 7kW променливотокова зарядна станция както усилвателният етап на PFC, така и изходният токоизправител изискват паралелни диоди:

Подобряване на плътността на мощността: Чрез успоредно свързване на диоди от Шотки от силициев карбид, плътността на мощността се увеличава от 0,5kW/L на 0,8kW/L, а обемът се намалява с 37,5%.
Подобряване на EMC производителността: Времето за обратно възстановяване намалено от 50ns (ултрабърза тръба за възстановяване) на 0ns (тръба на Шотки), EMI шумът е намален с 10dB.
Намаляване на разходите за целия жизнен цикъл: Въпреки че цената на едно устройство се увеличава с 20%, подобряването на ефективността на системата и намаляването на разходите за разсейване на топлината водят до 15% намаление на 5-годишната обща цена на притежание (TCO).
3. Високочестотно изправяне на индустриално захранване
В 48V/100A комуникационно захранване е приета паралелна диодна схема за ултрабързо възстановяване:

Намалени загуби при превключване: t-rr намалява от 300ns на 50ns, намалявайки загубите при превключване с 80% и повишавайки ефективността от 92% на 95%.
Потискане на изходните пулсации: Пикът на обратния ток на възстановяване е намален от 5A на 1A, а напрежението на изходните пулсации е намалено от 200mV на 50mV.
Подобрен процент на преминаване на сертифициране: Отговаря на изискванията за изпитване на пренапрежение на IEC 61000-4-5, а процентът на първо преминаване на продукта е увеличен от 70% на 95%.