Kuidas parandada voolu kandevõimet paralleeldioodide kaudu?

一, Paralleeltehnoloogia füüsiline alus ja eelised
Dioodi paralleelühenduse põhiprintsiip põhineb voolu ümbersuunamismehhanismil. Teoreetiliselt, kui N identsete parameetritega dioodi on paralleelselt ühendatud, saab kogu voolukandevõimet suurendada N korda ühe seadme omast. Näiteks 50A alaldi ahelas võib kolme MUR2020 (nimivool 20A) paralleelsel kasutamisel teoreetiliselt saavutada 60A voolutöötlusvõime. Sellel laiendamismeetodil on olulisi eeliseid:

Kulude optimeerimine: võrreldes ühe suure vooluga seadme kasutamisega võib paralleelskeem standardseadmeid kombineerides kulusid vähendada. Näiteks teatud fotogalvaanilise inverteri projekt vähendab kulusid 40%, kui paralleelselt asetatakse neli SS34 Schottky dioodi (nimivool 3A), et asendada üks 12A seade.
Üleliigne disain: paralleelsetel konstruktsioonidel on loomulikult tõrketaluvus. Dioodi rikke korral võivad ülejäänud komponendid siiski säilitada osalise funktsionaalsuse, parandades oluliselt süsteemi töökindlust. Pärast UPS-i toiteallika paralleelühendusskeemi kasutuselevõtmist teatud andmekeskuses on MTBF (keskmine aeg rikete vahel) suurendatud 200 000 tunnini.
Lihtsustatud soojuse hajumine: vool on hajutatud mitme seadme vahel, vähendades ühe punkti soojustihedust, mis on kasulik soojuse hajumise disaini lihtsustamiseks. Teatud elektrisõiduki laadimismoodulis vähendab paralleelskeem jahutusradiaatori pindala 30% ja kontrollib temperatuuri tõusu 45 kraadi piires.
2, paralleelse disaini peamised väljakutsed ja ebaõnnestumise mehhanismid
Kuigi paralleeltehnoloogial on olulisi eeliseid, tuleb praktilistes insenerirakendustes lahendada kaks põhiprobleemi:

Ebaühtlane voolujaotus: Tootmisprotsessi kõrvalekallete tõttu on isegi sama mudeli dioodide puhul päripinge langus (V_F) üle 0,1 V. Madalama VF-ga seadmed juhivad ja kannavad eelistatavalt rohkem voolu, mis põhjustab kohalikku ülekuumenemist. Fotogalvaanilise stringi seiresüsteemi test näitab, et paralleeldioodid, mille VF-i erinevus on 0,15 V, suudavad saavutada voolujaotuse suhte 3:1 ja suure koormusega seadmete temperatuuritõus on keskmisest väärtusest 25 kraadi kõrgem.
Termilise äravoolu oht: ebaühtlane vool võib põhjustada lokaalset ülekuumenemist, vähendades veelgi seadme VF-i ja moodustades positiivse tagasiside ahela. Teatud tööstusliku toiteallika puhul põhjustas paralleelskeem ilma voolu jagamise meetmeteta kogu mooduli rikke, mis oli tingitud dioodi ülekuumenemisest ja põlemisest pärast 2-tunnist täiskoormusega töötamist.
3. Optimeerimisstrateegiad ja inseneritavad tööstuse valideerimiseks
Eespool nimetatud probleemide lahendamiseks on tööstusharu välja töötanud küpsed optimeerimislahendused, mis hõlmavad kolme tasandit: seadme valik, vooluahela disain ja soojusjuhtimine.

1. Seadme valik ja sobitamine
Sama partii sõelumine: eelistada tuleks seadmete valimist samast tootmispartiist ja vahvlilõikamisest, et tagada selliste parameetrite nagu VF ja vastupidine taastumisaeg (t_rr) kõrge järjepidevus. Teatud fotogalvaanilise inverteri tootja on VF-i dispersiooni rangelt kontrollinud ja kontrollinud vahemikus ± 0,05 V.
Schottky dioodi prioriteet: võrreldes tavaliste PN-siirde dioodidega on Schottky dioodidel madalam VF (0,3-0,6 V) ja parem parameetrite järjepidevus. Madalpinge ja suure voolu stsenaariumide korral (nt 12V/20A laadimismoodulid) parandab Schottky paralleelskeem voolu jagamise efekti tavaliste dioodidega võrreldes enam kui 50%.
Mitme kiibiga pakkimisseadmed: mitme kiibiga pakendi kasutamine, mis on juba sisemiselt paralleelse sobitamise lõpetanud (nt topelt Schottky pakend), võib välise vooluahela disaini lihtsustada. Pärast selliste seadmete kasutuselevõttu teatud sidevõimsuse projektis vähenes PCB pindala 40% ja koostu efektiivsus paranes 30%.
2. Vooluahela disaini optimeerimine
Voolu jagamise takisti konstruktsioon: ühendage iga dioodiga järjestikku väikesed takistustakistid (tavaliselt 0,1–0,5 Ω), et saavutada voolu tasakaal takisti pingelanguse kaudu. Mida suurem on vool, seda väiksem peab olema takistuse väärtus. Näiteks 100A paralleelses vooluringis saab 0,1 Ω voolujagamistakisti valimisel juhtida voolujaotuse hälvet ± 5% piires.
Aktiivne voolujagamistehnoloogia: suure-täpse nõudluse stsenaariumide jaoks saab kasutada paralleelseid MOSFET-e kasutava dünaamilise voolu jagamise skeemi. Iga haru voolu tuvastamine ja MOSFET-i reaalajas takistuse reguleerimine-võib saavutada täpse voolu jagamise. Pärast selle skeemi kasutuselevõttu parandati teatud serveri toiteallika voolu jagamise täpsust ± 2% -ni ja efektiivsuse kadu vähendati alla 0,5%.
Paigutuse ja juhtmestiku optimeerimine: tagage paralleelsete seadmete sümmeetriline paigutus, lühendage vooluteid ja vähendage parasiit-induktiivsuse erinevusi. Teatud elektrisõidukite laadimisjaama konstruktsiooni spetsifikatsioonid nõuavad, et paralleeldioodide tihvtide pikkuste erinevus ei tohiks ületada 0,5 mm, et vähendada pingehelinat kõrge sagedusega-lülitamise ajal.
3. Tugevdada soojusjuhtimist
Soojuse hajumise struktuuri optimeerimine: Soojusjuhtivuse tõhususe parandamiseks kasutatakse materjale nagu ühtlased kuumutusplaadid ja soojusjuhtiv silikoonmääre. Teatud fotogalvaaniline inverter parandab temperatuuri tõusu ühtlust 20 kraadi võrra, asetades paralleelsete dioodide alla soojusjaotusplaadi.
Soojussimulatsioon ja kontrollimine: jahutusradiaatori suuruse ja ventilaatori kiiruse optimeerimiseks viige läbi soojussimulatsioon, kasutades selliseid tööriistu nagu ANSYS Icepak. Teatud tööstuslik energiaprojekt vähendas simulatsiooni abil soojuse hajumise kulusid 15%, täites samal ajal IEC 60068-2-1 termošoki testimise standardit.
Temperatuuri jälgimine reaalajas: Paigaldage põhikomponentide pinnale NTC-termistor koos MCU-ga, et tagada ülekuumenemiskaitse. Andmekeskuse UPS-i toiteallikas on selle lahenduse kaudu lühendanud tõrke reageerimisaega vähem kui 10 ms-ni.
4, tüüpilised rakendusstsenaariumid ja kasuanalüüs
1. Fotogalvaanilise inverteri sekundaarne alaldus
Stringinverteris peab sekundaaraldi hakkama saama 10-30A vooluga. Pärast paralleelse Schottky dioodiskeemi vastuvõtmist:

Tõhususe paranemine: juhtivuse kadu on vähendatud 11 W-lt (tavaline kiire taastumistoru) 5 W-ni (Schottky toru), mille tulemuseks on efektiivsuse kasv 6 protsendipunkti võrra.
Töökindluse suurendamine: MTBF on kasvanud 150 000 tunnilt 250 000 tunnini ja aastane rikete määr on vähenenud 60%.
Kulude optimeerimine: BOM-i kulude vähendamine ühe inverteri jaoks
8. Arvutatuna 100 000 ühiku aastatoodangu põhjal saavutatakse aastane kulude kokkuhoid
800000.
2. Elektrisõiduki laadimismoodul
7 kW vahelduvvoolu laadimisjaamas vajavad nii PFC võimendusaste kui ka väljundalaldi aste paralleelseid dioode:

Võimsustiheduse parandamine: Ränikarbiid-Schottky dioodidega paralleelselt suurendatakse võimsustihedust 0,5 kW/l-lt 0,8 kW/l-le ja helitugevust vähendatakse 37,5%.
EMC jõudluse paranemine: tagasipööratud taastumisaega vähendatud 50 ns-lt (ülikiire taastamise toru) 0 ns-ni (Schottky toru), EMI-müra vähendatud 10 dB võrra.
Kogu elutsükli kulude vähendamine: kuigi ühe seadme maksumus tõuseb 20%, vähendab süsteemi efektiivsuse paranemine ja soojuse hajutamise kulude vähenemine 15% 5-aastase kogu omamise kulu (TCO).
3. Tööstusliku toiteallika kõrgsagedusalaldus
48V/100A sidetoiteallikas võetakse kasutusele paralleelne ülikiire taastamise dioodiskeem:

Vähendatud lülituskaod: t-rr vähenes 300 ns-lt 50 ns-le, vähendades lülituskadusid 80% ja suurendades tõhusust 92%lt 95%le.
Väljundi pulsatsiooni summutamine: Pöördtaastamise voolu tippu vähendatakse 5A-lt 1A-le ja väljundi pulsatsioonipinget vähendatakse 200 mV-lt 50 mV-le.
Täiustatud sertifitseerimise läbimise määr: vastab IEC 61000-4-5 liigpinge testimise nõuetele ja toote esmase läbimise määr on tõusnud 70%-lt 95%-le.