Wie entwirft man eine Dioden-Parallelstruktur in einem redundanten Energiesystem?

一, Geräteauswahl: Szenenbasierter Parameterabgleich
1. Kontrolle der aktuellen Kapazität und Diskretion
Redundante Systeme müssen mit Ausfallszenarien einzelner Module zurechtkommen, und parallele Dioden müssen die folgenden Anforderungen erfüllen:

Nennstromredundanz: Der Nennstrom einer einzelnen Röhre sollte größer oder gleich dem maximalen Laststrom des Systems/(Anzahl der Parallelverbindungen x 0,8) sein, wobei eine Sicherheitsmarge von 20 % vorbehalten ist. Beispielsweise sollte in einem 48V/20A-System, in dem 4 Rohre parallel geschaltet sind, ein Einrohrmodell mit 30A oder höher gewählt werden.
Konsistenz des Vorwärtsspannungsabfalls: Die Vf-Streuung von Schottky-Dioden sollte kleiner oder gleich 5 % sein, um ein Ungleichgewicht der Stromverteilung zu vermeiden, das durch Unterschiede im Leitungsspannungsabfall verursacht wird. In einem OBC-Gehäuse für ein neues Energiefahrzeug wurden vier 30-A-Schottky-Dioden mit einer Vf-Abweichung von ± 0,1 V parallel geschaltet und ein Stromteilungswiderstand von 0,2 Ω verwendet, um eine Stromabweichung von zu erreichen<± 5% in the entire temperature range.
2. Reverse-Eigenschaften und Schutzanforderungen
Sperrspannungstoleranz: Die VRRM der Diode muss größer oder gleich dem 1,5-fachen der maximalen Systemspannung sein. Beispielsweise kann in einem Photovoltaik-Netzverbundsystem die Leerlaufspannung des Solarpanels 1000 V erreichen, und es müssen TVS-Dioden mit VRRM größer oder gleich 1500 V ausgewählt werden.
Optimierung der Reverse-Recovery-Zeit: Ultraschnelle Recovery-Dioden mit 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, Topologiedesign: Redundanz und Isolation ausgleichen
1. Parallele Stromverteilungsarchitektur
Passives Stromteilungsschema: Der Stromausgleich wird durch die Reihenschaltung von Stromteilungswiderständen mit niedriger Induktivität von 0,1–0,5 Ω erreicht. Eine bestimmte industrielle SPS-Stromversorgung verfügt über ein paralleles Design mit zwei Röhren, und der Backup-Zweig kann innerhalb von 10 μs angeschlossen werden, wenn die Hauptröhre ausfällt. Der Stromverbrauch des Stromteilungswiderstands wird auf 0,5 W begrenzt.
Aktives Stromteilungsschema: Mit aktiven Stromteilungschips wie dem LTC4370 wird eine dynamische Stromverteilung durch Anpassen der Gate-Spannung erreicht. Bei der Stromversorgung eines Rechenzentrums kam es bei einem 4-Röhren-Parallelsystem zu einem Laststromverteilungsfehler<± 2% through active current sharing control.
2. Redundantes Isolationsdesign
N+1-redundante Topologie: Das Hauptmodul und das Backup-Modul sind durch Dioden isoliert, um sicherzustellen, dass ein Ausfall eines einzelnen Moduls die Systemausgabe nicht beeinträchtigt. Die Stromversorgung eines bestimmten medizinischen Geräts verfügt über ein 3+1-Redundanzdesign, und das Backup-Modul ist über Dioden vom Hauptstromkreis isoliert, mit einer Fehlerschaltzeit von weniger als 50 μs.
Back-to-Back-MOSFET-Ersatzlösung: In Szenarien, die eine bidirektionale Isolierung erfordern, werden zwei N-Kanal-MOSFETs Rücken{1}}an-verbunden und mit dem LTC4416-Steuerchip kombiniert, um eine verlustarme Isolierung zu erreichen. Bei einem Server-Netzteil reduzierte diese Lösung den Leitungsspannungsabfall von 0,45 V auf 0,03 V, was zu einer Steigerung der Effizienz um 12 % führte.
3, Wärmemanagement: Synergie zwischen Wärmeableitung und Zuverlässigkeit
1. Berechnung des Stromverbrauchs und Wärmeableitungsdesign
Berechnung des Leitungsverlusts: P=Vf × Iavg, Dioden mit niedrigem Vf sollten für Hochstromszenarien Vorrang haben. Beispielsweise erreicht bei einem Strom von 12 A der Stromverbrauch einer 0,45-V-Schottky-Diode 5,4 W und es muss ein Kühlkörper installiert werden; Die 0,3-V-SiC-Schottky-Diode hat einen Stromverbrauch von nur 3,6 W und kann Wärme auf natürliche Weise ableiten.
Kontrolle des Wärmewiderstands: Verwendung von Verpackungen mit niedrigem Wärmewiderstand (z. B. TO-220-Verpackung mit R θ JA=40 Grad /W), kombiniert mit wärmeleitendem Silikonfett, um die Verbindungstemperatur unter 125 Grad zu kontrollieren. In einer Fallstudie eines Lademoduls für Elektrofahrzeuge wurde der Temperaturanstieg der Diode von 45 Grad auf 25 Grad reduziert, indem die Kupferfolienfläche der Leiterplatte optimiert wurde (größer oder gleich 100 mm²/A).
2. Layoutoptimierung und Unterdrückung parasitärer Parameter
Parasitäre Induktivitätskontrolle: Beim PCB-Layout sollte die Länge der Dioden-Pin-Routing sein<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%.
Design der thermischen Kopplung: In Szenarien mit hoher Leistungsdichte wird ein gemeinsames Kühlkörperdesign verwendet, um den Temperaturausgleich paralleler Dioden sicherzustellen. In einem bestimmten Fall einer Kommunikationsstromversorgung wurde die Abweichung der Sperrschichttemperatur von 15 Grad auf 5 Grad reduziert, indem vier Dioden dicht am Kühlkörper installiert wurden.
4, technische Verifizierung: geschlossener-Kreislauf von der Simulation bis zur tatsächlichen Messung
1. Simulationsüberprüfung
SPICE-Modellsimulation: Erstellen Sie ein LTspice-Modell für Dioden-Parallelschaltungen, um den Stromaufteilungseffekt und die Wärmeverteilung zu überprüfen. In einem bestimmten Fall einer Luftfahrtstromversorgung wurde durch Simulation festgestellt, dass in parallelen Dioden ein Stromungleichgewicht von 20 % bestand. Nach der Optimierung der Stromteilungswiderstandsparameter wurde das Ungleichgewicht auf 5 % reduziert.
Thermische Simulationsanalyse: FloTHERM und andere Tools werden verwendet, um den Wärmeableitungspfad zu simulieren und die Struktur des Kühlkörpers zu optimieren. In einer Fallstudie einer Stromversorgung für den Schienenverkehr wurde die Höhe der Kühlrippen durch Simulation von 15 mm auf 20 mm angepasst, wodurch die maximale Sperrschichttemperatur von 130 Grad auf 115 Grad reduziert wurde.
2. Zuverlässigkeitstests
HALT-Tests: Überprüfen Sie die Designgrenzen durch Lebensdauertests bei hoher Beschleunigung. In einem militärischen Stromversorgungsfall versagte die Dioden-Parallelstruktur nach 1000 Zyklen mit Temperaturschwankungen von -40 Grad auf +125 Grad nicht.
EMV-Prüfung: Überprüfen Sie, ob das durch die Sperrverzögerung der Diode erzeugte Rauschen der Norm entspricht. In einer Fallstudie einer Stromversorgung für ein medizinisches Gerät wurde ein 100-pF-Kondensator parallel zur Diode geschaltet, um abgestrahlte Störungen von 45 dB μ V auf 35 dB μ V zu reduzieren.
5, Typische Anwendungsfälle
1. Redundante Stromversorgung für Kommunikationsbasisstationen
Verwendung von 4 parallelen 20-A-Netzteilen, jeweils isoliert durch SR1660-Schottky-Dioden (16 A/60 V). Erzielen Sie eine hohe Zuverlässigkeit durch das folgende Design:

Auswahl des Stromteilungswiderstands: 0,3 Ω/5 W Zementwiderstand, um sicherzustellen, dass der Einzelröhrenstrom 15 A nicht überschreitet
Wärmeableitungsdesign: Kühlkörperfläche größer oder gleich 200 cm², Sperrschichttemperatur<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Schutzfunktion: TVS-Diode (18V/1kW) unterdrückt Überspannungen, Varistor (150V) verhindert Überspannung
2. Lademodul für New-Energy-Fahrzeuge
Ersetzen herkömmlicher Dioden durch SiC-MOSFETs, um eine verlustarme Redundanz zu erreichen:

Topologie: Rücken-an-Rücken C2M0080120D SiC MOSFET (1200 V/80 m Ω)
Steuerungsschema: LTC4416-Treiber mit einem Leitungsspannungsabfall von nur 0,1 V
Effizienzsteigerung: Im Vergleich zu Schottky-Diodenlösungen ist der Systemwirkungsgrad von 92 % auf 96 % gestiegen