จะออกแบบโครงสร้างไดโอดขนานในระบบพลังงานสำรองได้อย่างไร?

一 การเลือกอุปกรณ์: การจับคู่พารามิเตอร์ตามฉาก
1. การควบคุมกำลังการผลิตและความไม่ต่อเนื่องในปัจจุบัน
ระบบสำรองจำเป็นต้องรับมือกับสถานการณ์ความล้มเหลวของโมดูลเดี่ยว และไดโอดแบบขนานจำเป็นต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้:

พิกัดกระแสซ้ำซ้อน: กระแสพิกัดของหลอดเดียวควรมากกว่าหรือเท่ากับกระแสโหลดสูงสุดของระบบ/(จำนวนการเชื่อมต่อแบบขนาน x 0.8) โดยสงวนระยะขอบด้านความปลอดภัย 20% ตัวอย่างเช่น ในระบบ 48V/20A ที่เชื่อมต่อท่อ 4 ท่อแบบขนาน ควรเลือกท่อรุ่นเดียวขนาด 30A หรือสูงกว่า
ความสม่ำเสมอของแรงดันตกไปข้างหน้า: การกระจาย Vf ของไดโอด Schottky ควรน้อยกว่าหรือเท่ากับ 5% เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่สมดุลของการกระจายกระแสที่เกิดจากความแตกต่างของแรงดันการนำไฟฟ้าที่ลดลง ในกรณี OBC ของรถยนต์พลังงานใหม่ ไดโอดชอตกี 30A สี่ตัวที่มีค่าเบี่ยงเบน Vf ± 0.1V เชื่อมต่อแบบขนาน และใช้ตัวต้านทานการแบ่งกระแสไฟ 0.2 Ω เพื่อให้เกิดค่าเบี่ยงเบนกระแสเท่ากับ<± 5% in the entire temperature range.
2. ลักษณะย้อนกลับและข้อกำหนดการป้องกัน
ระยะขอบแรงดันไฟฟ้าที่ทนต่อการย้อนกลับ: ไดโอด VRRM จะต้องมากกว่าหรือเท่ากับ 1.5 เท่าของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของระบบ ตัวอย่างเช่น ในระบบที่เชื่อมต่อกับกริดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของแผงโซลาร์เซลล์สามารถเข้าถึง 1000V และจำเป็นต้องเลือกไดโอด TVS ที่มี VRRM มากกว่าหรือเท่ากับ 1500V
การเพิ่มประสิทธิภาพเวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับ: ไดโอดการกู้คืนที่รวดเร็วเป็นพิเศษพร้อม 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 การออกแบบโทโพโลยี: การปรับสมดุลความซ้ำซ้อนและการแยกออกจากกัน
1. สถาปัตยกรรมการแบ่งปันปัจจุบันแบบขนาน
รูปแบบการแบ่งปันกระแสแบบพาสซีฟ: การปรับสมดุลกระแสสามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อตัวต้านทานการแบ่งกระแสแบบเหนี่ยวนำต่ำ 0.1-0.5 Ωเป็นอนุกรม แหล่งจ่ายไฟ PLC อุตสาหกรรมบางชนิดใช้การออกแบบแบบขนานแบบท่อคู่ และสามารถเชื่อมต่อสาขาสำรองได้ภายใน 10 μs เมื่อท่อหลักล้มเหลว การใช้พลังงานของตัวต้านทานการแชร์กระแสไฟจะถูกควบคุมภายใน 0.5W
รูปแบบการแชร์กระแสแบบแอคทีฟ: การใช้ชิปการแชร์กระแสแบบแอคทีฟเช่น LTC4370 การกระจายกระแสแบบไดนามิกทำได้โดยการปรับแรงดันเกต ในกรณีแหล่งจ่ายไฟของศูนย์ข้อมูล ระบบขนาน 4 หลอดเกิดข้อผิดพลาดในการกระจายกระแสโหลด<± 2% through active current sharing control.
2. การออกแบบแยกซ้ำซ้อน
โทโพโลยีซ้ำซ้อน +1: โมดูลหลักและโมดูลสำรองถูกแยกออกด้วยไดโอดเพื่อให้แน่ใจว่าโมดูลเดี่ยวที่ล้มเหลวจะไม่ส่งผลกระทบต่อเอาต์พุตของระบบ แหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ทางการแพทย์บางชนิดใช้การออกแบบสำรอง 3+1 และโมดูลสำรองถูกแยกออกจากวงจรหลักผ่านไดโอด โดยมีเวลาในการเปลี่ยนข้อผิดพลาดน้อยกว่า 50 μ s
โซลูชันการเปลี่ยน MOSFET แบบ Back-to-Back: ในสถานการณ์ที่ต้องการการแยกแบบสองทิศทาง MOSFET แชนเนล N- สองตัวจะเชื่อมต่อกลับ-ไป-ด้านหลังและรวมกับชิปควบคุม LTC4416 เพื่อให้เกิดการแยกการสูญเสียที่ต่ำ ในกรณีแหล่งจ่ายไฟของเซิร์ฟเวอร์ โซลูชันนี้ช่วยลดแรงดันการนำไฟฟ้าที่ลดลงจาก 0.45V เป็น 0.03V ส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 12%
3 การจัดการความร้อน: การทำงานร่วมกันระหว่างการกระจายความร้อนและความน่าเชื่อถือ
1. การคำนวณการใช้พลังงานและการออกแบบการกระจายความร้อน
การคำนวณการสูญเสียการนำไฟฟ้า: ควรให้ความสำคัญกับไดโอด P=Vf × Iavg, Vf ต่ำสำหรับสถานการณ์ปัจจุบันที่สูง ตัวอย่างเช่น ภายใต้กระแส 12A การใช้พลังงานของไดโอด Schottky 0.45V จะสูงถึง 5.4W และจำเป็นต้องติดตั้งตัวระบายความร้อน ไดโอด SiC Schottky 0.3V มีการใช้พลังงานเพียง 3.6W และสามารถกระจายความร้อนได้ตามธรรมชาติ
การควบคุมความต้านทานความร้อน: การใช้บรรจุภัณฑ์ต้านทานความร้อนต่ำ (เช่นบรรจุภัณฑ์ TO-220 ที่มี R θ JA=40 องศา /W) รวมกับจาระบีซิลิโคนนำความร้อนเพื่อควบคุมอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อต่ำกว่า 125 องศา ในกรณีศึกษาของโมดูลชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของไดโอดลดลงจาก 45 องศาเป็น 25 องศาโดยการปรับพื้นที่ฟอยล์ทองแดง PCB ให้เหมาะสม (มากกว่าหรือเท่ากับ 100 มม. ²/A)
2. การเพิ่มประสิทธิภาพเค้าโครงและการปราบปรามพารามิเตอร์ปรสิต
การควบคุมการเหนี่ยวนำปรสิต: เมื่อเค้าโครง PCB ความยาวของการกำหนดเส้นทางพินไดโอดควรเป็น<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%.
การออกแบบข้อต่อความร้อน: ในสถานการณ์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง การออกแบบแผงระบายความร้อนทั่วไปจะใช้เพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิของไดโอดแบบขนานมีความสมดุล ในกรณีของแหล่งจ่ายไฟสื่อสาร ค่าเบี่ยงเบนอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อลดลงจาก 15 องศาเป็น 5 องศาโดยการติดตั้งไดโอดสี่ตัวเข้ากับตัวระบายความร้อนให้แน่น
4, การตรวจสอบทางวิศวกรรม: -วงปิดจากการจำลองไปจนถึงการวัดจริง
1. การตรวจสอบการจำลอง
การจำลองแบบจำลอง SPICE: สร้างแบบจำลอง LTspice สำหรับวงจรไดโอดแบบขนานเพื่อตรวจสอบผลการแบ่งกระแสและการกระจายความร้อน ในกรณีแหล่งจ่ายไฟสำหรับการบินบางกรณี พบว่ามีกระแสไม่สมดุล 20% ในไดโอดแบบขนาน หลังจากปรับพารามิเตอร์ความต้านทานการแบ่งปันปัจจุบันให้เหมาะสมแล้ว ความไม่สมดุลก็ลดลงเหลือ 5%
การวิเคราะห์การจำลองความร้อน: FloTHERM และเครื่องมืออื่นๆ ใช้เพื่อจำลองเส้นทางการกระจายความร้อนและปรับโครงสร้างของแผงระบายความร้อนให้เหมาะสม ในกรณีศึกษาเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟสำหรับการขนส่งทางรถไฟ ความสูงของครีบระบายความร้อนถูกปรับจาก 15 มม. เป็น 20 มม. ผ่านการจำลอง ส่งผลให้อุณหภูมิทางแยกสูงสุดจาก 130 องศาเป็น 115 องศา
2. การทดสอบความน่าเชื่อถือ
การทดสอบ HALT: ตรวจสอบขีดจำกัดการออกแบบผ่านการทดสอบอายุการใช้งานการเร่งความเร็วสูง ในกรณีแหล่งจ่ายไฟทางการทหาร โครงสร้างไดโอดแบบขนานไม่ได้ล้มเหลวหลังจากการหมุนเวียนอุณหภูมิ 1,000 รอบจาก -40 องศาถึง+125 องศา
การทดสอบ EMC: ตรวจสอบว่าสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการกู้คืนแบบย้อนกลับของไดโอดเป็นไปตามมาตรฐานหรือไม่ ในกรณีศึกษาเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ทางการแพทย์ ตัวเก็บประจุ 100pF เชื่อมต่อแบบขนานข้ามไดโอดเพื่อลดการรบกวนที่แผ่รังสีจาก 45dB μ V เป็น 35dB μ V
5, กรณีการใช้งานทั่วไป
1. แหล่งจ่ายไฟสำรองสำหรับสถานีฐานการสื่อสาร
ใช้แหล่งจ่ายไฟ 20A แบบขนาน 4 ตัว โดยแต่ละตัวแยกกันด้วยไดโอดชอตกี SR1660 (16A/60V) ตระหนักถึงความน่าเชื่อถือสูงผ่านการออกแบบดังต่อไปนี้:

การเลือกตัวต้านทานการแชร์กระแส: ตัวต้านทานซีเมนต์ 0.3 Ω/5W เพื่อให้มั่นใจว่ากระแสไฟในหลอดเดียวไม่เกิน 15A
การออกแบบการกระจายความร้อน: พื้นที่ระบายความร้อนมากกว่าหรือเท่ากับ 200 ซม. ² อุณหภูมิทางแยก<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
ฟังก์ชั่นการป้องกัน: ไดโอด TVS (18V/1kW) ระงับไฟกระชาก, วาริสเตอร์ (150V) ป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน
2. โมดูลการชาร์จสำหรับรถยนต์พลังงานใหม่
การเปลี่ยนไดโอดแบบเดิมด้วย SiC MOSFET เพื่อให้ได้การสูญเสียซ้ำซ้อนที่ต่ำ:

โทโพโลยี: ย้อนกลับ-ไป-กลับ C2M0080120D SiC MOSFET (1200V/80m Ω)
รูปแบบการควบคุม: ไดรเวอร์ LTC4416 โดยมีแรงดันการนำไฟฟ้าลดลงเพียง 0.1V
การปรับปรุงประสิทธิภาพ: เมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชันไดโอด Schottky ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นจาก 92% เป็น 96%