¿Cómo proteger los diodos en equipos energéticos de alta temperatura y alta humedad?

一, Selección de materiales: Adecuado para dispositivos resistentes a la humedad, el calor y las altas temperaturas.
1. Optimización de los materiales de embalaje.
En entornos de alta temperatura y humedad, los envases tradicionales de resina epoxi son propensos a la delaminación o al efecto palomitas de maíz debido a la infiltración de vapor de agua. Los diodos de grado industrial están empaquetados en silicona o cerámica, lo que puede mejorar significativamente su resistencia a la humedad y al calor. Por ejemplo, en un determinado proyecto de inversor fotovoltaico se seleccionaron diodos Schottky encapsulados en cerámica. Después de un funcionamiento continuo durante 1000 horas en la prueba doble 85 (85 grados/85% RH), no hubo fenómeno de delaminación dentro del paquete, mientras que los dispositivos encapsulados con resina epoxi ordinaria explotaron después de 500 horas.

2. Actualización del proceso del chip
Para entornos de alta-temperatura, se deben seleccionar chips con características de baja corriente de fuga. Por ejemplo, el uso de diodos de carburo de silicio (SiC) puede reducir significativamente la corriente de fuga inversa a altas temperaturas. Las pruebas comparativas de un determinado proyecto de convertidor de energía eólica marina muestran que a una temperatura de unión de 125 grados, la corriente de fuga inversa de los diodos de SiC se reduce en un 80 % en comparación con los diodos basados ​​en silicio-, y la eficiencia del sistema mejora en un 2,3 %.

3. Principios del diseño de reducción de potencia
En escenarios de alta-temperatura, los diodos deben reducirse según su temperatura de funcionamiento real. Por ejemplo, si el voltaje inverso nominal del dispositivo es de 60 V, se recomienda elegir un nivel de voltaje soportado de 100 V o superior a 85 grados para reservar un margen de seguridad. Cierto proyecto de sistema de almacenamiento de energía redujo la tasa de falla del dispositivo del 5 % al 0,3 % al aumentar el nivel de voltaje soportado del diodo de 60 V a 100 V.

2, Diseño estructural: gestión térmica y protección de aislamiento.
1. Fortalecer la estructura de disipación de calor.
Expansión de la lámina de cobre: ​​en el diseño de PCB, aumentar el área de la lámina de cobre mejora la conducción del calor. Cierto proyecto de controlador fotovoltaico amplió el área de la lámina de cobre debajo del diodo de 10 mm² a 50 mm², reduciendo la temperatura de la unión en 15 grados.
Disipador de calor integrado: los paquetes de alta eficiencia de disipación de calor, como DFN y TO-220, se utilizan junto con los disipadores de calor. Por ejemplo, un determinado proyecto industrial de UPS utiliza diodos empaquetados TO-220 e instala disipadores de calor de aluminio para controlar la temperatura de la unión dentro de los 120 grados durante el funcionamiento a plena carga.
Aplicación de almohadilla térmica: Rellenar grasa térmica o almohadilla térmica entre el diodo y el disipador de calor puede reducir la resistencia térmica de contacto. Las pruebas han demostrado que el uso de una almohadilla térmica de silicona de 0,5 mm de espesor puede reducir la resistencia térmica de 2 grados/W a 0,8 grados/W.
2. Diseño de aislamiento eléctrico.
Conexión en paralelo de resistencias para compartir corriente: cuando se conectan varios diodos en paralelo, se debe conectar en serie una resistencia para compartir corriente de baja resistencia (como 0,1 Ω) a cada diodo para evitar una distribución desigual de la corriente debido a diferencias en la caída de tensión directa. Un determinado proyecto de circuito de equilibrio de batería de almacenamiento de energía ha reducido la desviación actual de los diodos paralelos del 30% al 5% a través de este diseño.
Diodo de protección inversa: conectar diodos inversos en paralelo en ambos extremos del diodo principal puede evitar que el diodo principal se rompa cuando el voltaje inverso es demasiado alto. Por ejemplo, un determinado proyecto de módulo de carga de vehículos eléctricos adopta este esquema, que acorta el tiempo de respuesta de la protección contra sobretensión inversa a 10 ns.
3, Control ambiental: aislamiento del microambiente y optimización de la ventilación
1. Mejora del nivel de protección
Estándar de protección IP: seleccione equipos con clasificación IP65 (a prueba de polvo e impermeable) o IP67 (a prueba de agua) según la humedad ambiental. Un determinado proyecto de plataforma de perforación marina utiliza módulos de diodos protectores IP67, que no han experimentado corrosión después de un funcionamiento continuo en un entorno de niebla salina durante 3 años.
Integración del gabinete de control: coloque el módulo de diodos en un gabinete de control sellado e instale aire acondicionado o intercambiadores de calor para regular la temperatura y la humedad. Por ejemplo, un proyecto de UPS en un centro de datos utiliza un gabinete de control para mantener la temperatura interna por debajo de los 40 grados y la humedad dentro del 50% de HR, extendiendo así la vida útil de los diodos en un 40%.
2. Optimización del sistema de ventilación.
Diseño de refrigeración por aire forzado: en aplicaciones que consumen mucha energía, se utilizan ventiladores para ventilación forzada. Cierto proyecto de inversor fotovoltaico optimizó el diseño del conducto de aire para aumentar la velocidad del flujo de aire alrededor del diodo a 3 m/s y reducir la temperatura de la unión en 20 grados.
Mejora de la convección natural: en escenarios de bajo-consumo de energía, aumentar el espacio o el ángulo de inclinación de las aletas del disipador de calor puede mejorar la eficiencia de la convección natural. Las pruebas han demostrado que aumentar el espacio entre las aletas de 2 mm a 5 mm mejora la eficiencia de disipación de calor en un 15 %.
4, Monitoreo y Protección: Retroalimentación en tiempo real e Intervención Activa
1. Sistema de monitoreo de temperatura
Integración del termistor: instale un termistor NTC cerca del diodo para controlar la temperatura de la unión en tiempo-real. Un determinado proyecto de sistema de gestión de baterías de almacenamiento de energía, a través de este esquema, activa automáticamente la protección limitadora de corriente cuando la temperatura de la unión supera los 125 grados para evitar una fuga térmica.
Tecnología de medición de temperatura por infrarrojos: uso de sensores infrarrojos para monitorear sin contacto la temperatura de la superficie de los diodos. Por ejemplo, un proyecto de inversor de energía eólica logra un control preciso del error de temperatura de la unión ± 2 grados mediante la medición de temperatura por infrarrojos.
2. Mecanismo de protección contra sobrecargas
Supresor de voltaje transitorio (TVS): un diodo TVS se conecta en paralelo en la entrada del diodo para suprimir los rayos o cambiar las sobretensiones. Un determinado proyecto de conjunto fotovoltaico ha mejorado su capacidad de resistencia a sobretensiones de 1 kV a 6 kV a través de este diseño.
Algoritmo de limitación de corriente del software: en los sistemas de control digital, la corriente del diodo se ajusta dinámicamente mediante algoritmos. Por ejemplo, un determinado proyecto de estación de carga de vehículos eléctricos adopta un control de limitación de corriente PID para acortar el tiempo de respuesta de sobrecarga a 50 ms.
5, Estudio de caso: Práctica de protección de convertidores de energía eólica marina
Cierto proyecto de energía eólica marina está ubicado en aguas subtropicales con una temperatura ambiente de 45 grados y una humedad del 90% RH. El diseño original utilizaba diodos ordinarios basados ​​en silicio-y la tasa de fallos después de un año de funcionamiento llegaba al 12 %. El plan de mejora incluye:

Actualización del dispositivo: reemplazado con diodo SiC, nivel de resistencia a la temperatura aumentado a 175 grados;
Mejora de la disipación de calor: al adoptar un embalaje DFN e instalar disipadores de calor de cobre, la temperatura de la unión se reduce de 150 grados a 110 grados;
Aislamiento ambiental: coloque el módulo de diodos en un gabinete de control con protección IP67 e instale un dispositivo de deshumidificación;
Monitoreo y protección: Termistor integrado y diodo TVS para lograr doble protección de temperatura y voltaje.
Luego de las mejoras, el sistema ha estado funcionando continuamente durante 3 años sin fallas en los diodos, con un aumento del 8% en la generación de energía anual y una reducción del 60% en los costos de mantenimiento.