Comment sélectionner des diodes adaptées aux systèmes énergétiques à haute-tension ?

一, Classification technique et caractéristiques principales des diodes haute-tension
1. Classer par matériau et structure
Diode haute tension-à base de silicium : le choix courant, avec une tension de tenue de plusieurs milliers de volts et un long temps de récupération inverse (niveau de la microseconde), adaptée à la rectification de la fréquence industrielle.
Diode haute tension-en carbure de silicium (SiC) : avec une tension de tenue supérieure à 3 300 V, le temps de récupération inverse est raccourci à des nanosecondes et d'excellentes performances à haute-température (la température de jonction peut atteindre 200 degrés), adaptée aux scénarios de commutation à haute-fréquence.
Diode passivée en verre (GPP) : en cuisant une couche de verre sur la surface de la jonction PN, la stabilité de tension et la résistance à l'humidité sont améliorées, avec une résistance de tension typique de 600 V-1 200 V.
2. Classer par fonction
Diode de redressement : convertit le courant alternatif en courant continu, avec les paramètres de base du courant redressé maximum (IF) et du temps de récupération inverse (Trr).
Diode de récupération rapide (FRD) : Trr Inférieur ou égal à 50 ns, adapté aux scénarios à haute -fréquence tels que les alimentations à découpage et les onduleurs.
Diode Schottky (SBD) : réduction de tension directe (0,3-0,5 V), pas de temps de récupération inverse, mais tension de tenue limitée (généralement inférieure ou égale à 200 V), nécessitant une connexion en série pour augmenter la tension de tenue.
Diode de suppression de tension transitoire (TVS) : temps de réponse inférieur ou égal à 1 ns, tension de serrage précise, utilisée pour la protection contre la foudre et la protection contre les surtensions.
2 : Six paramètres de base pour la sélection des diodes haute-tension
1. Résistance à la tension (VRRM/VBR)
Définition : La tension de crête répétitive inverse maximale (VRRM) doit être 1,5 à 2 fois supérieure à la tension maximale du système pour éviter les pannes causées par les fluctuations de tension.
Principe de sélection :
Côté CC de l'onduleur photovoltaïque : un système 1 500 V nécessite une diode 1 700 V (comme la série Taike Tianrun G3S170).
Système de traction de transport ferroviaire : le système 3 300 V nécessite une diode SiC de 3 300 V (telle que la série Taike Tianrun G3S330).
2. Capacité de débit (IF/IFSM)
Définition : Le courant redressé (IF) moyen doit être 1,5 fois supérieur au courant moyen du système ; Le courant de pointe (IFSM) doit résister à l'impact instantané lors du démarrage ou d'un court-circuit.
Principe de sélection :
Entraînement de moteur industriel : choisissez IF supérieur ou égal à 2 fois le courant nominal, IFSM supérieur ou égal à 10 fois le courant nominal.
Onduleur photovoltaïque : sélectionnez IF supérieur ou égal à 1,5 fois le courant de sortie maximum, IFSM supérieur ou égal à 20 kA (forme d'onde 8/20 μ s).
3. Vitesse de commutation (Trr/Ton/Off)
Définition : Le temps de récupération inverse (Trr) détermine la perte de commutation dans les scénarios à haute -fréquence ; Le temps Ton/Off affecte la vitesse de réponse du système.
Principe de sélection :
Switching power supply (>10 kHz) : sélectionnez des diodes à récupération rapide avec Trr inférieur ou égal à 50 ns (telles que ASEMI MUR1660AC, Trr=35ns).
Onduleur en carbure de silicium : sélectionnez les diodes SiC avec Trr inférieur ou égal à 10 ns (telles que la série Taike Tianrun G3S170, Trr=8ns).
4. Chute de tension positive (VF)
Définition : Lors de la conduction, la tension aux deux extrémités affecte directement l'efficacité du système.
Principe de sélection :
Scénarios basse tension et courant élevé (tels que les systèmes 48 V CC) : la priorité doit être donnée à la sélection de diodes Schottky avec une VF inférieure ou égale à 0,5 V.
Scénarios haute tension (comme au-dessus de 1 000 V) : choisissez des diodes SiC avec VF inférieur ou égal à 2,5 V, ce qui peut améliorer l'efficacité de 3 à 5 % par rapport aux diodes au silicium.
5. Performance thermique (TjM/Rth)
Définition : La température de jonction maximale (TjM) doit être inférieure à la valeur limite de l'appareil (150 degrés pour les tubes en silicium, 200 degrés pour les tubes SiC) ; La résistance thermique (Rth) détermine l'efficacité de dissipation thermique.
Principe de sélection :
Module d'alimentation haute densité : sélectionnez les appareils emballés TO-247 avec un Rth inférieur ou égal à 0,5 degré/W.
Application en environnement fermé : sélectionnez les appareils avec un TjM supérieur ou égal à 175 degrés et réservez un espace de déclassement.
6. Certification de fiabilité
Critères clés :
Certification de sécurité : UL (Amérique du Nord), TUV (Allemagne), CQC (Chine).
Test de durée de vie : testé pendant 1 000 heures en utilisant HTRB (High Temperature Reverse Bias).
Fiabilité de l'emballage : évitez d'utiliser un emballage enfichable axial-et donnez la priorité à la sélection d'un emballage SMT (tel que DFN8 × 8).
3, processus de sélection de diodes haute tension et analyse de cas
1. Processus de sélection
Analyse des exigences : clarifiez les paramètres du système tels que la tension, le courant, la fréquence et la température ambiante.
Classification des appareils : sélectionnez le redresseur, la récupération rapide, le TVS et d'autres types en fonction des exigences fonctionnelles.
Correspondance des paramètres : filtrez les appareils candidats en fonction de paramètres de base (résistance à la tension, flux de courant, vitesse).
Conception de déclassement : déclassement de tension de 1,5 à 2 fois, déclassement de courant de 1,2 à 1,5 fois.
Vérification de la fiabilité : Vérifiez la robustesse de l'appareil via HALT (High Acceleration Life Test).
2. Cas d'application typiques
Cas 1 : Protection côté CC de l’onduleur photovoltaïque
Exigence : Un système de 1 500 V doit résister à un courant de surtension de 20 kA avec un rendement supérieur ou égal à 98 %.
Plan de sélection :
Redresseur principal : diode SiC Taike Tianrun 1 700 V/50 A (G3S750P), VF=1.7V, Trr=8ns.
Protection contre les surtensions : diode TVS Toshiba HN1D05FE (VR=400V, IPP=20kA).
Effet : efficacité du système améliorée de 2 %, temps de réponse de la protection contre les surtensions inférieur ou égal à 1 ns.
Cas 2 : Convertisseur de traction pour le transport ferroviaire
Exigence : système 3 300 V, fréquence de commutation 5 kHz, requis pour résister à un courant de court-circuit-de 100 kA.
Plan de sélection :
Module de rectification : diode SiC Taike Tianrun 3 300 V/50 A (G3S33050P), IFSM=100kA.
Diode à récupération rapide : ASEMI MUR3060PT (600 V/30 A, Trr=35ns).
Effet : Le volume du système est réduit de 30 % et les pertes de commutation sont réduites de 40 %.
4, tendances futures dans la sélection des diodes haute tension
1. Vulgarisation des semi-conducteurs à large bande interdite
Les diodes SiC ont une tension de tenue supérieure à 3 300 V et une chute de tension directe réduite à 1,5 V, ce qui les rend adaptées aux systèmes de distribution moyenne tension supérieurs à 10 kV.
Les diodes au nitrure de gallium (GaN) sont entrées dans le domaine de la haute-tension, avec un temps de récupération inverse réduit à moins de 1 ns.
2. Outil de sélection intelligent
Le fournisseur propose une plateforme de simulation en ligne (telle que le sélecteur Taike Tianrun SiC), qui recommande automatiquement des combinaisons de dispositifs après la saisie des paramètres du système.
La technologie des jumeaux numériques est utilisée pour prédire la durée de vie et les modes de défaillance des appareils dans des conditions de fonctionnement extrêmes.
3. Modularisation et intégration
La diode et l'IGBT/MOSFET sont intégrés dans un seul module (comme la série Infineon EasyPACK), simplifiant la conception du système.
L'emballage du Press Pack améliore la résistance aux chocs et l'efficacité de la dissipation thermique des appareils-haute tension.