Comment les équipements énergétiques modulaires peuvent-ils réduire la consommation d’énergie grâce aux diodes ?

一, Principe technique : corrélation entre les caractéristiques des diodes et l'amélioration de l'efficacité énergétique
Le principal avantage des diodes en matière d'efficacité énergétique réside dans leurs caractéristiques de faible chute de tension directe (Vf) et de récupération inverse rapide (Trr). La chute de tension directe des diodes de redressement au silicium traditionnelles est généralement de 0,6 à 0,7 V, tandis que les diodes Schottky réduisent Vf à 0,1 à 0,4 V grâce à des structures de contact métalliques semi-conductrices, et les diodes Schottky en carbure de silicium (SiC) peuvent même l'abaisser en dessous de 0,2 V. En prenant le système 48 V/20 A comme exemple, si une diode Schottky avec Vf=0.4V est utilisée, la perte de conduction est de 8 W ; si une diode au silicium avec Vf=0.7V est utilisée, la perte atteint 14 W et la différence d'efficacité est significative.

Le temps de récupération inverse (Trr) est un paramètre clé dans les scénarios de commutation à haute fréquence-. Le Trr des diodes de redressement ordinaires peut atteindre des centaines de nanosecondes, ce qui entraîne un courant de récupération inverse pendant le processus de commutation, provoquant des pertes supplémentaires et des pics de tension. Le Trr des diodes à récupération ultrarapide (telles que l'UF4007) peut être compressé à 35 ns près, et les diodes SiC peuvent atteindre des caractéristiques de récupération inverse proches de zéro, réduisant ainsi les pertes de commutation de plus de 70 %.

2, sélection de l'appareil : stratégie de correspondance des paramètres basée sur la scène
1. Capacité actuelle et contrôle de la discrétion
Les systèmes modulaires doivent faire face à des scénarios de défaillance d'un seul module, et les diodes parallèles doivent répondre aux exigences suivantes :

Redondance du courant nominal : le courant nominal d'un seul tube doit être supérieur ou égal au courant de charge maximal du système divisé par (nombre de connexions parallèles x 0,8). Par exemple, dans le module de charge des véhicules à énergie nouvelle, quatre diodes Schottky SiC 30A sont connectées en parallèle, ce qui peut supporter une sortie de courant continu de 120A et réserver une marge de sécurité de 20%.
Cohérence de la chute de tension directe : la dispersion Vf des diodes parallèles doit être inférieure ou égale à 5 %. Dans un certain cas d'onduleur photovoltaïque, grâce à des dispositifs de protection avec un écart Vf de ± 0,05 V, l'écart de distribution de courant dans toute la plage de température a été réduit à<± 3%.
2. Caractéristiques inverses et exigences de protection
Marge de tension de tenue inverse : la diode VRRM doit être supérieure ou égale à 1,5 fois la tension maximale du système. Dans un système connecté au réseau photovoltaïque de 1 500 V, des appareils avec VRRM supérieur ou égal à 2 200 V doivent être sélectionnés.
Contrôle du courant de fuite inverse : dans des conditions de température élevée, le courant de fuite inverse des diodes Schottky peut augmenter jusqu'à plusieurs dizaines de milliampères. En utilisant des matériaux à large bande interdite (tels que le GaN) ou des structures composites (telles que l'optimisation de la couche barrière), le courant de fuite à 125 degrés peut être supprimé en dessous de 1 μA.
3, Conception de topologie : optimisation collaborative de la redondance et de l'efficacité
1. Architecture de partage de courant parallèle
Schéma de partage de courant passif : l'équilibrage du courant est obtenu en connectant en série des résistances de partage de courant à faible inductance de 0,1 à 0,5 Ω. Dans le cas de l'alimentation électrique d'une certaine station de base de communication, une conception parallèle à 4 tubes est adoptée. Lorsque le tube principal tombe en panne, la branche de secours peut prendre le relais dans un délai de 10 µs et la consommation électrique de la résistance de partage de courant est contrôlée dans un délai de 0,5 W.
Schéma de partage de courant actif : en utilisant des puces de partage de courant actif telles que LTC4370, l'allocation dynamique est obtenue en ajustant la tension de grille. Dans le cas d'une alimentation électrique d'un centre de données, un système parallèle à 4 tubes a généré une erreur de répartition du courant de charge.<± 2% through active control.
2. Conception d'isolation redondante
Topologie redondante N+1 : Le module principal et le module de secours sont isolés par des diodes. L'alimentation électrique d'un certain équipement médical adopte une conception de redondance 3+1 et le module de secours est isolé du circuit principal via des diodes, avec un temps de commutation en cas de défaut inférieur à 50 μs.
Solution idéale de remplacement de diode : utilisation de contrôleurs tels que le LTC4412 pour piloter des MOSFET, obtenant ainsi une isolation de chute de tension proche de zéro. Dans le cas d'une alimentation de serveur, cette solution a réduit la chute de tension de conduction de 0,45 V à 0,02 V, ce qui a entraîné une augmentation de 12 % du rendement.
4, Pratique d'ingénierie : effet d'économie d'énergie dans des scénarios typiques
1. Système de recharge pour les véhicules à énergies nouvelles
Dans un chargeur de voiture (OBC), les diodes Schottky remplissent des fonctions de rectification et de roue libre. En utilisant des diodes SiC Schottky avec Vf=0.2V, l'efficacité de charge d'un certain modèle de véhicule a été améliorée de 92 % à 95 % et le temps de charge unique a été raccourci de 3 à 5 minutes (en prenant un chargeur de 6,6 kW comme exemple). Dans le même temps, la consommation énergétique du système de refroidissement a été réduite de 30 %.

2. Onduleur photovoltaïque
Dans les onduleurs string, les diodes sont utilisées pour la convergence côté DC et le redressement côté AC. Dans le cas d'un certain système photovoltaïque de 100 kW, en remplaçant les diodes au silicium par des diodes à récupération ultrarapide SiC, l'efficacité de conversion de l'onduleur est passée de 98,2 % à 98,8 % et la production annuelle d'électricité a augmenté d'environ 480 kWh.

3. Alimentation redondante pour centre de données
Dans un système d'alimentation redondante de 48 V/100 A, un schéma de partage de courant actif avec 4 tubes parallèles est adopté. En optimisant la disposition du PCB (longueur de routage des broches<5mm) and heat dissipation design (heat sink area ≥ 200cm ²), the diode junction temperature was reduced from 130 ℃ to 105 ℃, and the system MTBF (mean time between failures) was doubled.