Comment concevoir une structure parallèle à diodes dans un système énergétique redondant ?

一, Sélection de l'appareil : correspondance des paramètres basée sur la scène
1. Capacité actuelle et contrôle de la discrétion
Les systèmes redondants 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/(nombre de connexions parallèles x 0,8), avec une marge de sécurité de 20 % réservée. Par exemple, dans un système 48 V/20 A où 4 tuyaux sont connectés en parallèle, un modèle à tuyau unique de 30 A ou plus doit être sélectionné.
Cohérence de la chute de tension directe : la dispersion Vf des diodes Schottky doit être inférieure ou égale à 5 % pour éviter un déséquilibre de la distribution de courant causé par des différences de chute de tension de conduction. Dans un nouveau boîtier OBC de véhicule énergétique, quatre diodes Schottky de 30 A avec un écart Vf de ± 0,1 V ont été connectées en parallèle, et une résistance de partage de courant de 0,2 Ω a été utilisée pour obtenir un écart de courant de<± 5% in the entire temperature range.
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. Par exemple, dans un système connecté au réseau photovoltaïque, la tension en circuit ouvert du panneau solaire peut atteindre 1 000 V, et des diodes TVS avec VRRM supérieur ou égal à 1 500 V doivent être sélectionnées.
Optimisation du temps de récupération inverse : diodes de récupération ultra rapides avec 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, Conception de topologie : équilibrer la redondance et l'isolement
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. Une certaine alimentation PLC industrielle adopte une conception parallèle à double tube, et la branche de secours peut être connectée dans les 10 µs en cas de panne du tube principal. La consommation électrique de la résistance de partage de courant est contrôlée dans la limite de 0,5 W.
Schéma de partage de courant actif : en utilisant des puces de partage de courant actif telles que LTC4370, la distribution dynamique du courant 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 current sharing control.
2. Conception d'isolation redondante
Topologie redondante N+1 : le module principal et le module de sauvegarde sont isolés par des diodes pour garantir qu'une panne d'un seul module n'affecte pas la sortie du système. 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 de remplacement de MOSFET dos à dos : dans les scénarios nécessitant une isolation bidirectionnelle, deux MOSFET à canal N-sont connectés-dos à-et combinés avec la puce de contrôle LTC4416 pour obtenir une isolation à faible perte. Dans le cas d'une alimentation de serveur, cette solution a réduit la chute de tension de conduction de 0,45 V à 0,03 V, ce qui a entraîné une augmentation de 12 % du rendement.
3, Gestion thermique : synergie entre dissipation thermique et fiabilité
1. Calcul de la consommation d'énergie et conception de la dissipation thermique
Calcul de la perte de conduction : P=Vf × Iavg, les diodes à faible Vf doivent être prioritaires pour les scénarios de courant élevé. Par exemple, sous un courant de 12 A, la consommation électrique d'une diode Schottky de 0,45 V atteint 5,4 W et un dissipateur thermique doit être installé ; La diode Schottky SiC 0,3 V a une consommation électrique de seulement 3,6 W et peut dissiper la chaleur naturellement.
Contrôle de la résistance thermique : utilisation d'un emballage à faible résistance thermique (tel que l'emballage TO-220 avec R θ JA=40 degré/W), combiné à de la graisse silicone thermoconductrice pour contrôler la température de jonction en dessous de 125 degrés. Dans une étude de cas d'un module de recharge de véhicule électrique, l'augmentation de la température de la diode a été réduite de 45 degrés à 25 degrés en optimisant la surface de la feuille de cuivre du PCB (supérieure ou égale à 100 mm²/A).
2. Optimisation de la mise en page et suppression des paramètres parasites
Contrôle d'inductance parasite : lors de la configuration du PCB, la longueur du routage des broches de diode doit être<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%.
Conception de couplage thermique : dans les scénarios à haute densité de puissance, une conception de dissipateur thermique commune est utilisée pour assurer l'équilibre de température des diodes parallèles. Dans un certain cas d'alimentation de communication, l'écart de température de jonction a été réduit de 15 degrés à 5 degrés en installant quatre diodes étroitement contre le dissipateur thermique.
4, Vérification technique : boucle fermée-de la simulation à la mesure réelle
1. Vérification par simulation
Simulation du modèle SPICE : établissez un modèle LTspice pour les circuits parallèles à diodes afin de vérifier l'effet de partage de courant et la distribution thermique. Dans un certain cas d'alimentation électrique d'aviation, il a été constaté par simulation qu'il y avait un déséquilibre de courant de 20 % dans les diodes parallèles. Après optimisation des paramètres de résistance de partage actuel, le déséquilibre a été réduit à 5 %.
Analyse de simulation thermique : FloTHERM et d'autres outils sont utilisés pour simuler le chemin de dissipation thermique et optimiser la structure du dissipateur thermique. Dans une étude de cas d'une alimentation électrique de transport ferroviaire, la hauteur des ailettes du dissipateur thermique a été ajustée de 15 mm à 20 mm par simulation, réduisant ainsi la température de jonction maximale de 130 degrés à 115 degrés.
2. Tests de fiabilité
Tests HALT : vérifiez les limites de conception grâce à des tests de durée de vie à haute accélération. Dans un cas d'alimentation électrique militaire, la structure parallèle des diodes n'a pas échoué après 1 000 cycles de températures allant de -40 degrés à +125 degrés.
Test EMC : vérifiez si le bruit généré par la récupération inverse de la diode est conforme à la norme. Dans une étude de cas d'une alimentation électrique pour dispositif médical, un condensateur de 100pF a été connecté en parallèle aux bornes de la diode pour réduire les interférences rayonnées de 45 dB μ V à 35 dB μ V.
5, cas d'application typiques
1. Alimentation redondante pour les stations de base de communication
Utilisant 4 alimentations parallèles de 20A, chacune isolée par des diodes Schottky SR1660 (16A/60V). Obtenez une fiabilité élevée grâce à la conception suivante :

Sélection de la résistance de partage de courant : résistance de ciment de 0,3 Ω/5W, garantissant que le courant du tube unique ne dépasse pas 15A
Conception de dissipation thermique : zone du dissipateur thermique supérieure ou égale à 200 cm², température de jonction<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Fonction de protection : la diode TVS (18 V/1 kW) supprime les surtensions, la varistance (150 V) empêche les surtensions
2. Module de recharge pour véhicules à énergies nouvelles
Remplacement des diodes traditionnelles par des MOSFET SiC pour obtenir une redondance à faibles pertes :

Topologie : dos-dos à-dos MOSFET SiC C2M0080120D (1 200 V/80 m Ω)
Schéma de contrôle : pilote LTC4416, avec une chute de tension de conduction de seulement 0,1 V
Amélioration de l'efficacité : par rapport aux solutions à diodes Schottky, l'efficacité du système est passée de 92 % à 96 %