¿Cómo pueden los equipos de energía modular reducir el consumo de energía a través de diodos?

一, Principio técnico: la correlación entre las características del diodo y la mejora de la eficiencia energética.
La principal ventaja de eficiencia energética de los diodos radica en su baja caída de voltaje directo (Vf) y sus características de rápida recuperación inversa (Trr). La caída de tensión directa de los diodos rectificadores de silicio tradicionales suele ser de 0,6 a 0,7 V, mientras que los diodos Schottky reducen el Vf a 0,1 a 0,4 V a través de estructuras de contacto de semiconductores metálicos, y los diodos Schottky de carburo de silicio (SiC) pueden incluso reducirlo a menos de 0,2 V. Tomando como ejemplo el sistema de 48V/20A, si se utiliza un diodo Schottky con Vf=0.4V, la pérdida de conducción es de 8W; si se utiliza un diodo de silicio con Vf=0.7V, la pérdida alcanza los 14 W y la diferencia de eficiencia es significativa.

El tiempo de recuperación inversa (Trr) es un parámetro clave en escenarios de conmutación de alta-frecuencia. La Trr de los diodos rectificadores ordinarios puede alcanzar cientos de nanosegundos, lo que da como resultado una corriente de recuperación inversa durante el proceso de conmutación, lo que provoca pérdidas adicionales y picos de voltaje. El Trr de los diodos de recuperación ultrarrápidos (como el UF4007) se puede comprimir hasta 35 ns, y los diodos de SiC pueden lograr características de recuperación inversa cercanas a cero, lo que reduce las pérdidas de conmutación en más del 70 %.

2. Selección de dispositivo: estrategia de coincidencia de parámetros basada en escenas
1. Control de capacidad y discreción actual.
Los sistemas modulares deben hacer frente a escenarios de falla de un solo módulo y los diodos paralelos deben cumplir los siguientes requisitos:

Redundancia de corriente nominal: la corriente nominal de un solo tubo debe ser mayor o igual a la corriente de carga máxima del sistema dividida por (número de conexiones en paralelo x 0,8). Por ejemplo, en el módulo de carga de vehículos de nueva energía, se conectan en paralelo cuatro diodos Schottky de SiC de 30 A, que pueden soportar una salida de corriente continua de 120 A y reservar un margen de seguridad del 20 %.
Consistencia de la caída de tensión directa: la dispersión Vf de diodos paralelos debe ser inferior o igual al 5%. En cierto caso de inversor fotovoltaico, al proteger dispositivos con una desviación Vf de ± 0,05 V, la desviación de la distribución de corriente en todo el rango de temperatura se redujo a<± 3%.
2. Características inversas y requisitos de protección.
Margen de tensión soportada inversa: el diodo VRRM debe ser mayor o igual a 1,5 veces la tensión máxima del sistema. En un sistema fotovoltaico conectado a la red de 1500 V, es necesario seleccionar dispositivos con VRRM mayor o igual a 2200 V.
Control de corriente de fuga inversa: en condiciones de alta temperatura, la corriente de fuga inversa de los diodos Schottky puede aumentar a decenas de miliamperios. Al utilizar materiales de banda prohibida amplia (como GaN) o estructuras compuestas (como la optimización de la capa de barrera), la corriente de fuga a 125 grados se puede suprimir por debajo de 1 μ A.
3. Diseño de topología: optimización colaborativa de redundancia y eficiencia
1. Arquitectura de intercambio actual paralela
Esquema de intercambio de corriente pasivo: el equilibrio de corriente se logra conectando resistencias de intercambio de corriente de baja inductancia de 0,1-0,5 Ω en serie. En el caso del suministro de energía de una determinada estación base de comunicación, se adopta un diseño paralelo de 4 tubos. Cuando falla el tubo principal, la rama de respaldo puede tomar el control en 10 μs y el consumo de energía de la resistencia compartida actual se controla dentro de 0,5 W.
Esquema de intercambio de corriente activo: utilizando chips de intercambio de corriente activo como LTC4370, la asignación dinámica se logra ajustando el voltaje de la puerta. En el caso de una fuente de alimentación de un centro de datos, un sistema paralelo de 4 tubos logró un error en la distribución de la corriente de carga<± 2% through active control.
2. Diseño de aislamiento redundante
N+1 topología redundante: el módulo principal y el módulo de respaldo están aislados mediante diodos. La fuente de alimentación de un determinado equipo médico adopta un diseño de redundancia 3+1 y el módulo de respaldo está aislado del circuito principal mediante diodos, con un tiempo de conmutación de falla de menos de 50 μs.
Solución ideal de reemplazo de diodos: uso de controladores como LTC4412 para controlar MOSFET, logrando un aislamiento de caída de voltaje casi nulo. En el caso de una fuente de alimentación para servidores, esta solución redujo la caída de voltaje de conducción de 0,45 V a 0,02 V, lo que resultó en un aumento del 12 % en la eficiencia.
4, Práctica de ingeniería: efecto de ahorro de energía en escenarios típicos
1. Sistema de carga para vehículos de nuevas energías
En un cargador de automóvil (OBC), los diodos Schottky realizan funciones de rectificación y funcionamiento libre. Al utilizar diodos Schottky de SiC con Vf=0.2V, la eficiencia de carga de un determinado modelo de vehículo se ha mejorado del 92 % al 95 % y el tiempo de carga única se ha acortado entre 3 y 5 minutos (tomando como ejemplo un cargador de 6,6 kW). Al mismo tiempo, el consumo de energía del sistema de refrigeración se ha reducido en un 30%.

2. Inversor fotovoltaico
En los inversores de cadena, los diodos se utilizan para la convergencia del lado de CC y la rectificación del lado de CA. En cierto caso de un sistema fotovoltaico de 100 kW, al reemplazar los diodos de silicio con diodos de recuperación ultrarrápida de SiC, la eficiencia de conversión del inversor aumentó del 98,2 % al 98,8 % y la generación anual de energía aumentó en aproximadamente 480 kWh.

3. Fuente de alimentación redundante para centro de datos
En un sistema de suministro de energía redundante de 48 V/100 A, se adopta un esquema de reparto de corriente activo con 4 tubos paralelos. Al optimizar el diseño de la PCB (longitud de enrutamiento de pines<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.