¿Cómo diseñar una estructura paralela de diodos en un sistema de energía redundante?

一, Selección de dispositivo: coincidencia de parámetros basada en escenas
1. Control de capacidad y discreción actual.
Los sistemas redundantes 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/(número de conexiones en paralelo x 0,8), con un margen de seguridad reservado del 20%. Por ejemplo, en un sistema de 48 V/20 A donde se conectan 4 tuberías en paralelo, se debe seleccionar un modelo de tubería única de 30 A o superior.
Consistencia de la caída de voltaje directo: la dispersión Vf de los diodos Schottky debe ser menor o igual al 5% para evitar el desequilibrio en la distribución de corriente causado por diferencias en la caída de voltaje de conducción. En el caso de un vehículo OBC de nueva energía, se conectaron en paralelo cuatro diodos Schottky de 30 A con una desviación Vf de ± 0,1 V y se utilizó una resistencia de reparto de corriente de 0,2 Ω para lograr una desviación de corriente de<± 5% in the entire temperature range.
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. Por ejemplo, en un sistema fotovoltaico conectado a la red, el voltaje del circuito abierto del panel solar puede alcanzar los 1000 V y es necesario seleccionar diodos TVS con VRRM mayor o igual a 1500 V.
Optimización del tiempo de recuperación inversa: diodos de recuperación ultrarrápidos con 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. Diseño de topología: equilibrio entre redundancia y aislamiento
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. Cierta fuente de alimentación de PLC industrial adopta un diseño de tubo dual paralelo y la rama de respaldo se puede conectar en 10 μs cuando falla el tubo principal. 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 distribución dinámica de la corriente 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 current sharing control.
2. Diseño de aislamiento redundante
N+1 topología redundante: el módulo principal y el módulo de respaldo están aislados mediante diodos para garantizar que una falla de un solo módulo no afecte la salida del sistema. 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 de reemplazo de MOSFET consecutivos: en escenarios que requieren aislamiento bidireccional, dos MOSFET de N-canales se conectan-con-parte posterior y se combinan con el chip de control LTC4416 para lograr un aislamiento de baja pérdida. En el caso de una fuente de alimentación para servidores, esta solución redujo la caída de voltaje de conducción de 0,45 V a 0,03 V, lo que resultó en un aumento del 12 % en la eficiencia.
3, Gestión térmica: sinergia entre disipación de calor y confiabilidad
1. Cálculo del consumo de energía y diseño de disipación de calor.
Cálculo de la pérdida de conducción: P=Vf × Iavg; se debe dar prioridad a los diodos de baja Vf para escenarios de alta corriente. Por ejemplo, bajo una corriente de 12 A, el consumo de energía de un diodo Schottky de 0,45 V alcanza los 5,4 W y es necesario instalar un disipador de calor; El diodo Schottky de SiC de 0,3 V tiene un consumo de energía de sólo 3,6 W y puede disipar el calor de forma natural.
Control de resistencia térmica: uso de empaques de baja resistencia térmica (como empaques TO-220 con R θ JA=40 grados/W), combinados con grasa de silicona termoconductora para controlar la temperatura de la unión por debajo de 125 grados. En un estudio de caso de un módulo de carga de vehículos eléctricos, el aumento de temperatura del diodo se redujo de 45 grados a 25 grados optimizando el área de la lámina de cobre de la PCB (mayor o igual a 100 mm²/A).
2. Optimización del diseño y supresión de parámetros parásitos.
Control de inductancia parásita: cuando se diseña la PCB, la longitud del enrutamiento de los pines del diodo debe ser<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%.
Diseño de acoplamiento térmico: en escenarios de alta densidad de potencia, se utiliza un diseño de disipador de calor común para garantizar el equilibrio de temperatura de los diodos paralelos. En cierto caso de suministro de energía para comunicaciones, la desviación de la temperatura de la unión se redujo de 15 grados a 5 grados instalando cuatro diodos firmemente contra el disipador de calor.
4. Verificación de ingeniería: circuito cerrado-desde la simulación hasta la medición real
1. Verificación de simulación
Simulación del modelo SPICE: establezca un modelo LTspice para circuitos de diodos paralelos para verificar el efecto de intercambio de corriente y la distribución térmica. En cierto caso de suministro de energía para aviación, se descubrió mediante simulación que había un desequilibrio de corriente del 20% en los diodos paralelos. Después de optimizar los parámetros de resistencia a compartir actuales, el desequilibrio se redujo al 5%.
Análisis de simulación térmica: FloTHERM y otras herramientas se utilizan para simular la ruta de disipación de calor y optimizar la estructura del disipador de calor. En un estudio de caso de una fuente de alimentación de tránsito ferroviario, la altura de las aletas del disipador de calor se ajustó de 15 mm a 20 mm mediante simulación, reduciendo la temperatura máxima de la unión de 130 grados a 115 grados.
2. Pruebas de confiabilidad
Prueba HALT: Verifique los límites de diseño mediante pruebas de vida útil de alta aceleración. En un caso de suministro de energía militar, la estructura paralela de diodos no falló después de 1000 ciclos de temperatura de -40 grados a +125 grados.
Pruebas EMC: verifique si el ruido generado por la recuperación inversa del diodo cumple con el estándar. En un estudio de caso de una fuente de alimentación para dispositivos médicos, se conectó un condensador de 100 pF en paralelo a través del diodo para reducir la interferencia radiada de 45 dB μ V a 35 dB μ V.
5, casos de aplicación típicos
1. Fuente de alimentación redundante para estaciones base de comunicaciones.
Utilizando 4 fuentes de alimentación paralelas de 20A, cada una aislada por diodos Schottky SR1660 (16A/60V). Logre una alta confiabilidad a través del siguiente diseño:

Selección de resistencia para compartir corriente: resistencia de cemento de 0,3 Ω/5 W, lo que garantiza que la corriente de un solo tubo no exceda los 15 A
Diseño de disipación de calor: área del disipador de calor mayor o igual a 200 cm², temperatura de unión<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Función de protección: el diodo TVS (18 V/1 kW) suprime las sobretensiones, el varistor (150 V) evita la sobretensión
2. Módulo de carga para vehículos de nuevas energías
Reemplazo de diodos tradicionales con MOSFET de SiC para lograr una redundancia de bajas pérdidas:

Topología: atrás-a-atrás C2M0080120D SiC MOSFET (1200 V/80 m Ω)
Esquema de control: controlador LTC4416, con una caída de voltaje de conducción de solo 0,1 V
Mejora de la eficiencia: en comparación con las soluciones de diodos Schottky, la eficiencia del sistema ha aumentado del 92 % al 96 %.