¿Cómo resolver el problema de calentamiento de los diodos en los circuitos de comunicación?

1, el mecanismo de calentamiento de los diodos en escenarios de comunicación
La particularidad de los circuitos de comunicación conduce a tres características principales del calentamiento de diodos: alta - pérdida de frecuencia de cambio, pérdida de recuperación inversa y pérdida de parámetros parásitos. Tomando el módulo PA de la estación base 5G como ejemplo, su frecuencia de operación ha excedido los 4GHz, y el diodo debe completar el cambio de corte de conducción dentro de los nanosegundos. En este punto, aunque el tiempo de recuperación inverso (TRR) de los diodos tradicionales de recuperación rápida (FRDS) se ha optimizado a 20 - 50ns, las pérdidas significativas aún ocurren bajo conmutación de alta frecuencia. Según la ley de Joule, cuando la frecuencia de conmutación aumenta de 1MHz a 10MHz, la pérdida de conmutación del diodo aumentará exponencialmente.
La pérdida de recuperación inversa es otra fuente de calor importante. Cuando el diodo cambia del estado conductor al estado de corte, los portadores minoritarios almacenados en la unión PN deben eliminarse a través de la recombinación o la extracción, y la corriente de recuperación inversa (IRR) formada por este proceso puede alcanzar 1.5 - 3 veces la de la corriente avanzada. En el circuito de conversión DC-DC de la fuente de alimentación de comunicación, si se selecciona un diodo de recuperación rápido con TRR =35 ns y IRR =2 A, la pérdida de recuperación inversa de un solo tubo puede alcanzar 0.7W a una frecuencia de conmutación de 1MHz, lo que conduce directamente a un aumento en la temperatura de la Junta.
La pérdida de parámetros parasitarios se origina en la inductancia empaquetada (LPAR) y la resistencia al plomo (RLEAD). En escenarios de comunicación de olas milimétricas (24-100GHz), una inductancia parasitaria de 0.5NH puede generar un voltaje de sobreimpulso de 5V cuando una corriente de 10a cambia, causando un consumo de energía adicional. Un cierto equipo de comunicación por satélite una vez experimentó falla térmica del módulo debido a una resistencia al plomo de diodos no optimizado, lo que resulta en un aumento de 0.3W en el consumo de energía de un solo tubo.
2, desafíos especiales de los circuitos de comunicación
El equipo de comunicación impone cuatro requisitos estrictos en diodos:
Compatibilidad de alta frecuencia: las estaciones base 5G requieren componentes para admitir la banda de frecuencia de 0.3-6GHz, y la frecuencia de corte (FT) de los diodos SI tradicionales es de solo 100-300MHz, lo que es difícil de cumplir con los requisitos.
Característica de baja pérdida: el módulo de comunicación óptica requiere una caída de voltaje de conducción de diodo (VF) de menos de 0.3V para reducir la atenuación de la señal.
Estándar de alta fiabilidad: la comunicación aeroespacial requiere que los componentes funcionen de manera estable dentro de un rango de temperatura de -55 grados a +125 grado, con una tasa de falla (ajuste) de menos de 10 ^ -9/h.
Requisito de miniaturización: el módulo T/R del radar de matriz en fase necesita integrar cientos de diodos, y el tamaño de un solo componente debe controlarse dentro de 0.5 mm × 0.5 mm.
Un cierto fabricante de la estación base una vez usó diodos Schottky tradicionales (SBD) para la síntesis de potencia, pero debido al dispositivo TRR =10 ns, la eficiencia disminuyó en un 5%. Finalmente, cambiaron a hemts GaN con diodos de recuperación ultrarrápidos (UFRD), lo que aumentó la eficiencia del sistema al 92%.
3, solución sistemática
(1) Optimización del nivel de dispositivo
Innovación material: el tercer - generación de materiales semiconductores (GAN, SIC) ha mostrado ventajas significativas. La movilidad electrónica de los diodos GaN es 5 veces mayor que la de Si, con una frecuencia de corte de hasta 10 GHz y una reducción del 70% en la resistencia (RDS (ON)). Después de usar SIC SBD en cierta carga útil satelital, se mantuvo estable a una temperatura alta de 200 grados y redujo el consumo de energía en un 60%.
Innovación estructural: la tecnología Super Junction homogeniza la distribución del campo eléctrico al organizar alternativamente columnas P/N, reduciendo el VF de 600V SIC SBD de 1.7V a 1.1V. La estructura de MOSFET de la trinchera reduce la resistencia de 2M Ω · cm ² en estructuras planas tradicionales a 0.5M Ω · cm ².
Avance del proceso: el uso de la tecnología de implantación de iones permite un control preciso de la concentración de dopaje, reduciendo la carga de recuperación inversa (QRR) de 50 nc a 5 nc. Un cierto fabricante de módulos ópticos ha acortado el tiempo de respuesta de los diodos PIN de 10 Gbps a 30ps al optimizar el grosor de la capa epitaxial.
(2) Diseño de nivel de circuito
Tecnología de rectificación sincrónica: al reemplazar los diodos tradicionales con N - MOSFET de tipo, la eficiencia de las alimentaciones de comunicación de 48 V se ha mejorado del 85% al ​​94%. Después de adoptar esta tecnología, un cierto centro de datos logró un ahorro de energía anual de 1.2 millones de kWh.
Topología de conmutación suave: el convertidor resonante LLC logra la conmutación de voltaje cero (ZVS) a través de la corriente resonante, reduciendo el estrés por voltaje de diodos en un 40%. En una fuente de alimentación de comunicación de 5kW, esta topología logra un avance de la eficiencia del 96% y reduce el aumento de la temperatura en 15 grados.
Optimización de diseño: la tecnología de envasado 3D se utiliza para integrar verticalmente diodos con chips de controladores, reduciendo la inductancia parasitaria de 3NH a 0.5NH. Un cierto enrutamiento de PCB optimizado de la estación base pequeña 5G para reducir la inductancia del bucle de diodo de 10NH a 2NH, lo que reduce las pérdidas de interruptor en un 65%.
(3) Gestión térmica a nivel del sistema
Material de cambio de fase (PCM): incrustado con PCM a base de parafina en el envasado de diodos, utilizando su calor latente de fusión (200-250J/g) para absorber el calor máximo. Los experimentos han demostrado que PCM puede reducir la amplitud de las fluctuaciones de temperatura de la unión en un 40% a una densidad de flujo de calor de 10W/cm ².
Enfriamiento de microcanal: disipadores de calor de microcanal a base de silicio se utilizan en el módulo AAU de la estación base, con un ancho de canal de enfriamiento de agua de solo 50 μm y un coeficiente de transferencia de calor por convección de 10 ^ 4W/(m ² · K). La prueba real de cierto operador muestra que esta tecnología reduce el aumento de la temperatura de los diodos de 65 grados a 38 grados.
Algoritmo de control de temperatura inteligente: al monitorear los cambios en el diodo VF en tiempo real (VF disminuye aproximadamente 2 mV por cada aumento de 1 grado en la temperatura), ajustando dinámicamente la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo. Después de adoptar este algoritmo, un cierto dispositivo de transmisión óptica puede controlar la fluctuación de potencia de salida dentro de ± 0.5dB en un entorno de -40 grados a +85 grado.
4, Casos de práctica de la industria
Huawei ha adoptado un esquema de síntesis de potencia utilizando Gan Hemt emparejado con SIC SBD en el diseño de antenas MIMO masivas 5G, que ha aumentado la potencia de salida de un solo canal de 40W a 64W con una eficiencia del 48%. ZTE Corporation aplica la tecnología de rectificación sincrónica de trincheras MOSFET en módulos de transmisión óptica, reduciendo el consumo de energía de 200 g de módulos ópticos de 24W a 18W. Ericsson integra los sistemas de enfriamiento de microcanal en las fuentes de alimentación de la estación base, lo que permite que la densidad de potencia exceda de 1kW/L y la temperatura de unión de diodo permanezca estable por debajo de 85 grados.