Comment résoudre le problème de chauffage des diodes dans les circuits de communication?

1, le mécanisme de chauffage des diodes dans les scénarios de communication
La particularité des circuits de communication conduit à trois caractéristiques principales du chauffage des diodes: une perte de commutation de fréquence - élevée, une perte de récupération inversée et une perte de paramètres parasites. Prenant l'exemple du module PA de la station de base 5G, sa fréquence de fonctionnement a dépassé 4 GHz et la diode doit compléter la commutation de coupure de conduction dans les nanosecondes. À ce stade, bien que le temps de récupération inverse (TRR) des diodes de récupération rapide traditionnels (FRD) ait été optimisé pour 20 - 50N, des pertes significatives se produisent toujours sous une commutation à haute fréquence. Selon la loi de Joule, lorsque la fréquence de commutation passe de 1 MHz à 10 MHz, la perte de commutation de la diode augmentera de façon exponentielle.
La perte de récupération inversée est une autre source de chaleur majeure. Lorsque la diode passe de l'état conducteur à l'état de coupure, les porteurs minoritaires stockés dans la jonction PN doivent être éliminés par recombinaison ou extraction, et le courant de récupération inversé (IRR) formé par ce processus peut atteindre 1,5 - 3 fois celui du courant avant. Dans le circuit de conversion DC-DC de l'alimentation de la communication, si une diode de récupération rapide avec TRR =35 ns et IRR =2 a est sélectionnée, la perte de récupération inverse d'un seul tube peut atteindre 0,7 W à une fréquence de commutation de 1MHz, conduisant directement à une augmentation de la température de la jonction.
La perte de paramètres parasites provient de l'inductance emballée (LPAR) et de la résistance au plomb (RLEAD). Dans les scénarios de communication à ondes millimétriques (24 à 100 GHz), une inductance parasite de 0,5 NH peut générer une tension de dépassement de 5V lorsqu'un courant de 10A change, provoquant une consommation d'énergie supplémentaire. Un certain équipement de communication par satellite a déjà connu une insuffisance thermique du module en raison d'une résistance au plomb de diodes non optimisé, entraînant une augmentation de 0,3 W dans la consommation d'énergie à tube unique.
2, défis particuliers des circuits de communication
L'équipement de communication impose quatre exigences strictes aux diodes:
Compatibilité à haute fréquence: les stations de base 5G nécessitent des composants pour prendre en charge la bande de fréquences de 0,3 à 6 GHz, et la fréquence de coupure (FT) des diodes SI traditionnelles n'est que de 100 à 300 MHz, ce qui est difficile à répondre aux exigences.
Caractéristique de faible perte: le module de communication optique nécessite une chute de tension de conduction de diode (VF) inférieure à 0,3 V pour réduire l'atténuation du signal.
Norme de fiabilité élevée: la communication aérospatiale nécessite que les composants fonctionnent de manière stable dans une plage de température de -55 degré à +125, avec un taux de défaillance (ajustement) inférieur à 10 ^ -9 / h.
Exigence de miniaturisation: Le module T / R du radar à réseau phasé doit intégrer des centaines de diodes, et la taille d'un seul composant doit être contrôlée à moins de 0,5 mm × 0,5 mm.
Un certain fabricant de stations de base a utilisé autrefois des diodes Schottky traditionnelles (SBDS) pour la synthèse de puissance, mais en raison du dispositif TRR =10 ns, l'efficacité a diminué de 5%. Finalement, ils sont passés à GaN Hemts avec des diodes de récupération ultrafast (UFRD), ce qui a augmenté l'efficacité du système à 92%.
3, solution systématique
(1) Optimisation du niveau de l'appareil
Innovation des matériaux: Le troisième - Génération des matériaux semi-conducteurs (Gan, sic) a montré des avantages significatifs. La mobilité électronique des diodes GaN est 5 fois celle de Si, avec une fréquence de coupure allant jusqu'à 10 GHz et une réduction de 70% de la résistance (RDS (ON)). Après avoir utilisé SIC SBD sur une certaine charge utile par satellite, il est resté stable à une température élevée de 200 degrés et réduit la consommation d'énergie de 60%.
Innovation structurelle: la technologie de super jonction homogénéise la distribution du champ électrique en arrangeant alternativement les colonnes P / N, réduisant le VF de 600 V sic SBD de 1,7 V à 1,1 V. La structure MOSFET de tranchée réduit la résistance ON de 2 m ω · cm ² dans les structures planes traditionnelles à 0,5 m ω · cm ².
Percée du processus: l'utilisation de la technologie d'implantation ionique permet un contrôle précis de la concentration de dopage, réduisant la charge de récupération inverse (QRR) de 50NC à 5NC. Un certain fabricant de modules optiques a raccourci le temps de réponse des diodes de broches de 10 Gbit / s à 30ps en optimisant l'épaisseur de la couche épitaxiale.
(2) Conception de niveau de circuit
Technologie de rectification synchrone: En remplaçant les diodes traditionnelles par des MOSFET de type N -, l'efficacité des alimentations de communication 48 V a été améliorée de 85% à 94%. Après avoir adopté cette technologie, un certain centre de données a réalisé une économie de courant annuelle de 1,2 million de kWh.
Topologie de commutation douce: le convertisseur de résonance LLC atteint une commutation de tension nul (ZVS) par le courant de résonance, réduisant la contrainte de tension de diode de 40%. Dans une alimentation de communication de 5 kW, cette topologie atteint une percée d'efficacité de 96% et réduit l'augmentation de la température de 15 degrés.
Optimisation de la disposition: la technologie d'emballage 3D est utilisée pour intégrer verticalement les diodes aux puces de conducteur, réduisant l'inductance parasite de 3NH à 0,5 nh. Une certaine station de base 5 g a optimisé le routage des PCB pour réduire l'inductance de la boucle de diode de 10NH à 2NH, réduisant les pertes de commutation de 65%.
(3) Gestion thermique au niveau du système
Matériel à changement de phase (PCM): intégré avec du PCM à base de paraffine dans l'emballage de diode, en utilisant sa chaleur latente de fusion (200-250J / g) pour absorber la chaleur maximale. Des expériences ont montré que le PCM peut réduire l'amplitude des fluctuations de la température de la jonction de 40% à une densité de flux thermique de 10 W / cm ².
Refroidissement par microcanal: les dissipateurs de chaleur à microcanaux à base de silicium sont utilisés dans le module AAU de la station de base, avec une largeur de canal de refroidissement d'eau de seulement 50 μm et un coefficient de transfert de chaleur convectif de 10 ^ 4W / (M ² · K). Le test réel d'un certain opérateur montre que cette technologie réduit l'élévation de la température des diodes de 65 degrés à 38 degrés.
Algorithme de contrôle de la température intelligent: En surveillant les changements de diode VF en temps réel (la FV diminue d'environ 2 mV pour chaque augmentation de la température de 1 degrés), ajustant dynamiquement la fréquence de commutation et le cycle de service. Après avoir adopté cet algorithme, un certain dispositif de transmission optique peut contrôler la fluctuation de puissance de sortie à moins de ± 0,5 dB dans un environnement de -40 degré à +85.
4, cas de pratique de l'industrie
Huawei a adopté un schéma de synthèse de puissance utilisant GAn Hemt associé à SIC SBD dans la conception d'antennes MIMO massives 5G, qui a augmenté la puissance de sortie à canal unique de 40 W à 64 W avec une efficacité de 48%. ZTE Corporation applique une technologie de rectification synchrone MOSFET TRANCH dans les modules de transmission optique, réduisant la consommation d'énergie de 200 g de modules optiques de 24 W à 18W. Ericsson intègre les systèmes de refroidissement des microcanaux dans les alimentations de la station de base, permettant à la densité de puissance de dépasser la température de 1 kW / L et de la jonction de diode pour rester stable en dessous de 85 degrés.