Làm thế nào để thiết kế cấu trúc song song diode trong hệ thống năng lượng dự phòng?

一, Lựa chọn thiết bị: Khớp thông số dựa trên cảnh
1. Kiểm soát công suất hiện tại và độ rời rạc
Các hệ thống dự phòng cần phải đối phó với các tình huống lỗi mô-đun đơn và điốt song song cần đáp ứng các yêu cầu sau:

Dự phòng dòng định mức: Dòng điện định mức của một ống đơn phải Lớn hơn hoặc bằng dòng tải tối đa của hệ thống/(số lượng kết nối song song x 0,8), với giới hạn an toàn 20%. Ví dụ: trong hệ thống 48V/20A có 4 ống được kết nối song song, nên chọn mô hình ống đơn từ 30A trở lên.
Tính nhất quán giảm điện áp chuyển tiếp: Độ phân tán Vf của điốt Schottky phải nhỏ hơn hoặc bằng 5% để tránh mất cân bằng phân phối dòng điện do chênh lệch điện áp dẫn. Trong trường hợp OBC của phương tiện năng lượng mới, bốn điốt Schottky 30A có độ lệch Vf là ± 0,1V được mắc song song và điện trở chia sẻ dòng điện 0,2 Ω được sử dụng để đạt được độ lệch dòng điện là<± 5% in the entire temperature range.
2. Đảo ngược đặc tính và yêu cầu bảo vệ
Biên độ điện áp chịu ngược: Diode VRRM cần lớn hơn hoặc bằng 1,5 lần điện áp hệ thống tối đa. Ví dụ, trong hệ thống kết nối lưới quang điện, điện áp mạch mở của tấm pin mặt trời có thể đạt tới 1000V và cần phải chọn điốt TVS có VRRM Lớn hơn hoặc bằng 1500V.
Tối ưu hóa thời gian phục hồi ngược: Điốt phục hồi cực nhanh với 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, Thiết kế cấu trúc liên kết: Cân bằng dự phòng và cách ly
1. Kiến trúc chia sẻ hiện tại song song
Sơ đồ chia sẻ dòng điện thụ động: Đạt được sự cân bằng dòng điện bằng cách nối nối tiếp các điện trở chia sẻ dòng điện có độ tự cảm thấp 0,1-0,5 Ω. Một bộ nguồn PLC công nghiệp nhất định áp dụng thiết kế song song ống kép và nhánh dự phòng có thể được kết nối trong vòng 10 μs khi ống chính bị hỏng. Mức tiêu thụ điện năng của điện trở chia sẻ dòng điện được kiểm soát trong khoảng 0,5W.
Sơ đồ chia sẻ dòng điện hoạt động: sử dụng chip chia sẻ dòng điện hoạt động như LTC4370, việc phân phối dòng điện động đạt được bằng cách điều chỉnh điện áp cổng. Trong trường hợp cấp nguồn cho trung tâm dữ liệu, hệ thống song song 4 ống gặp lỗi phân phối dòng tải<± 2% through active current sharing control.
2. Thiết kế cách ly dự phòng
Cấu trúc liên kết dự phòng N+1: Mô-đun chính và mô-đun dự phòng được cách ly bằng điốt để đảm bảo rằng một lỗi mô-đun duy nhất không ảnh hưởng đến đầu ra của hệ thống. Nguồn điện của một thiết bị y tế nhất định áp dụng thiết kế dự phòng 3+1 và mô-đun dự phòng được cách ly với mạch chính thông qua điốt, với thời gian chuyển đổi lỗi nhỏ hơn 50 μs.
Giải pháp thay thế MOSFET giáp lưng: Trong các trường hợp yêu cầu cách ly hai chiều, hai MOSFET kênh N-được kết nối ngược-với nhau{2}}và kết hợp với chip điều khiển LTC4416 để đạt được khả năng cách ly tổn thất thấp. Trong trường hợp cấp nguồn cho máy chủ, giải pháp này đã giảm độ sụt điện áp dẫn từ 0,45V xuống 0,03V, giúp hiệu suất tăng 12%.
3, Quản lý nhiệt: sự kết hợp giữa tản nhiệt và độ tin cậy
1. Tính toán điện năng tiêu thụ và thiết kế tản nhiệt
Tính toán tổn hao dẫn điện: P=Vf × Iavg, điốt Vf thấp nên được ưu tiên cho các kịch bản dòng điện cao. Ví dụ, dưới dòng điện 12A, mức tiêu thụ điện năng của diode Schottky 0,45V đạt 5,4W và cần lắp đặt một bộ tản nhiệt; Diode SiC Schottky 0,3V có công suất tiêu thụ chỉ 3,6W và có thể tản nhiệt một cách tự nhiên.
Kiểm soát điện trở nhiệt: Sử dụng bao bì có điện trở nhiệt thấp (chẳng hạn như bao bì TO-220 có R θ JA=40 độ/W), kết hợp với mỡ silicon dẫn nhiệt để kiểm soát nhiệt độ mối nối dưới 125 độ. Trong một nghiên cứu điển hình về mô-đun sạc xe điện, mức tăng nhiệt độ của điốt đã giảm từ 45 độ xuống 25 độ bằng cách tối ưu hóa diện tích lá đồng PCB (Lớn hơn hoặc bằng 100mm ²/A).
2. Tối ưu hóa bố cục và ngăn chặn tham số ký sinh
Kiểm soát độ tự cảm ký sinh: Khi bố trí PCB, độ dài của việc định tuyến chân diode phải là<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%.
Thiết kế khớp nối nhiệt: Trong các kịch bản mật độ công suất cao, thiết kế tản nhiệt thông thường được sử dụng để đảm bảo cân bằng nhiệt độ của các điốt song song. Trong một trường hợp cung cấp điện liên lạc nhất định, độ lệch nhiệt độ điểm nối đã giảm từ 15 độ xuống 5 độ bằng cách lắp chặt bốn điốt vào tản nhiệt.
4, Xác minh kỹ thuật: vòng-đóng từ mô phỏng đến đo lường thực tế
1. Xác minh mô phỏng
Mô phỏng mô hình SPICE: Thiết lập mô hình LTspice cho các mạch song song diode để xác minh hiệu ứng chia sẻ dòng điện và phân phối nhiệt. Trong một trường hợp cung cấp điện hàng không nhất định, qua mô phỏng, người ta phát hiện ra rằng có sự mất cân bằng dòng điện 20% trong các điốt song song. Sau khi tối ưu hóa các tham số kháng chia sẻ hiện tại, sự mất cân bằng đã giảm xuống còn 5%.
Phân tích mô phỏng nhiệt: FloTHERM và các công cụ khác được sử dụng để mô phỏng đường dẫn tản nhiệt và tối ưu hóa cấu trúc của tản nhiệt. Trong một nghiên cứu điển hình về nguồn điện vận chuyển đường sắt, chiều cao của các cánh tản nhiệt được điều chỉnh từ 15 mm đến 20 mm thông qua mô phỏng, giảm nhiệt độ điểm nối tối đa từ 130 độ xuống 115 độ.
2. Kiểm tra độ tin cậy
Thử nghiệm HALT: Xác minh giới hạn thiết kế thông qua thử nghiệm tuổi thọ tăng tốc cao. Trong trường hợp cung cấp điện cho quân đội, cấu trúc song song đi-ốt không bị hỏng sau 1000 chu kỳ thay đổi nhiệt độ từ -40 độ đến +125 độ.
Kiểm tra EMC: Xác minh xem tiếng ồn do phục hồi ngược diode tạo ra có đáp ứng tiêu chuẩn hay không. Trong một nghiên cứu điển hình về nguồn điện cho thiết bị y tế, một tụ điện 100pF được mắc song song trên điốt để giảm nhiễu bức xạ từ 45dB μ V xuống 35dB μ V.
5, Các trường hợp ứng dụng điển hình
1. Nguồn điện dự phòng cho trạm gốc thông tin liên lạc
Sử dụng 4 bộ nguồn song song 20A, mỗi bộ cách ly bằng điốt SR1660 Schottky (16A/60V). Nhận ra độ tin cậy cao thông qua thiết kế sau:

Lựa chọn điện trở chia dòng: Điện trở xi măng 0,3 Ω/5W, đảm bảo dòng điện ống đơn không vượt quá 15A
Thiết kế tản nhiệt: diện tích tản nhiệt Lớn hơn hoặc bằng 200 cm 2, nhiệt độ tiếp giáp<110 ℃ under natural heat dissipation conditions
Chức năng bảo vệ: TVS diode (18V/1kW) ngăn chặn xung điện, varistor (150V) ngăn ngừa quá áp
2. Mô-đun sạc cho xe sử dụng năng lượng mới
Thay thế điốt truyền thống bằng MOSFET SiC để đạt được mức dự phòng tổn thất thấp:

Cấu trúc liên kết: quay lại-đến-trở lại C2M0080120D SiC MOSFET (1200V/80m Ω)
Sơ đồ điều khiển: Trình điều khiển LTC4416, với điện áp dẫn chỉ giảm 0,1V
Cải thiện hiệu suất: So với giải pháp diode Schottky, hiệu suất hệ thống đã tăng từ 92% lên 96%