Kā diodes ātri reaģē slodzes pārslēgšanas moduļos?

一, Diožu ātras reakcijas fiziskais pamats
1. Vienvirziena vadītspēja un komutācijas raksturlielumi
Diodes kodola raksturlielums slēpjas PN pārejas vienvirziena vadītspējā: kad anoda spriegums ir augstāks par katoda spriegumu, PN pāreja vada, veidojot strāvas ceļu; Apgrieztā sprieguma gadījumā PN pāreja atslēdzas un bloķē strāvu. Šis raksturlielums padara to par dabisku "elektronisku slēdzi", kas slodzes pārslēgšanas laikā var ātri izveidot vai nogriezt strāvas ceļus. Piemēram, vienfāzes tilta taisngrieža ķēdē četras diodes maina vadītspēju, lai pārveidotu maiņstrāvu pulsējošā līdzstrāvā ar pārslēgšanās periodu, kas sinhronizēts ar ieejas maiņstrāvas frekvenci un reakcijas laiku mikrosekundēs.

2. Reversās atkopšanas laika (TRR) optimizācija
Kad diode pārslēdzas no vadoša stāvokļa uz izslēgšanas stāvokli, tai ir jāatbrīvo mazākuma nesēji, kas glabājas PN krustojumā, ko sauc par reverso atkopšanu. Tradicionālo taisngriežu diožu TRR var sasniegt simtiem nanosekunžu, savukārt ātrās atkopšanas diodes (FRD) saīsina TRR līdz desmitiem nanosekunžu, izmantojot PIN savienojuma struktūru (P- tipa iekšējais slānis N-), un īpaši ātras atkopšanas diodes (UFRD) var būt pat mazākas par 10 nanosekundēm. Piemēram, UF4007 īpaši ātrās atkopšanas diodes TRR ir tikai 35 nanosekundes, ļaujot tai sasniegt bez aizkaves pārslēgšanos augstas-frekvences PWM motoru piedziņās.

3. Šotkija diožu lielākās daļas nesējmehānisms
Šotkija diodēs tiek izmantoti metāla pusvadītāju savienojumi (MS krustojumi), lai panāktu vadītspēju, izmantojot vairākuma nesēju (elektronu) transportu, bez nepieciešamības veikt mazākuma nesēju rekombinācijas procesus, tādējādi novēršot reversās atkopšanas laiku. Tā pārslēgšanas ātrums var sasniegt pikosekundes līmeni (10 ^ -12 sekundes), un tas var pilnībā novērst sprieguma lēcienus, ko izraisa reversā atkopšana augstfrekvences komutācijas barošanas avotos. Piemēram, 48 V līdzstrāvas kopnes sistēmā Šotkija diodes var samazināt sprieguma pārtēriņu slodzes pārslēgšanas laikā no tradicionālo diožu 50 V uz 5 V.

2, galvenie pielietojuma scenāriji slodzes pārslēgšanā
1. Nepārtrauktas strāvas aizsardzība induktīvām slodzēm
Induktīvās slodzes scenārijos, piemēram, motora piedziņas un releja vadības gadījumā, spoles radītais apgrieztais elektromotora spēks, kad slēdža caurule ir izslēgta, var sasniegt 3–5 reizes lielāku ieejas spriegumu, nopietni apdraudot piedziņas ierīces drošību. Šajā brīdī paralēlajām brīvgaitas diodēm jāvada nanosekundēs, lai nodrošinātu induktīvās enerģijas atbrīvošanas ceļu. Piemēram, 24 V līdzstrāvas motora vadīšanā FR107 ātrās atjaunošanas diodes (TRR{5}}ns) izmantošana var nomākt apgrieztā sprieguma pieaugumu no 200 V līdz 60 V, vienlaikus izvairoties no magnētiskās enerģijas vājināšanās aizkaves, ko izraisa tradicionālā 1N4007 diode (TRR{10}}ns).

2. Vairāku slodžu neatkarīga pārslēgšana
PLC vadības sistēmās vai automobiļu elektronikā vairākām slodzēm ir jāpārslēdzas neatkarīgi un jāizvairās no savstarpējiem traucējumiem. Šajā brīdī katrai slodzes ķēdei jābūt aprīkotai ar neatkarīgu brīvgaitas diode un jānovērš zemējuma cilpas traucējumi, izmantojot zvaigznes formas zemējuma dizainu. Piemēram, noteiktā automašīnas virsbūves vadības modulī tiek izmantots 12 kanālu neatkarīgs brīvgaitas diožu bloks, kas apvienots ar SM4007 tipa virspusē uzstādītām jaudas diodēm (ar siltuma izkliedes laukumu trīs reizes lielāku nekā tradicionālajam iepakojumam), lai sasniegtu 99,9% pārslēgšanās panākumu līmeni temperatūras diapazonā no -40 grādiem līdz 125 grādiem.

3. Sinhronā taisnošana efektīvai jaudas pārveidošanai
Slēdža režīma barošanas avotos sinhronās taisnošanas tehnoloģija aizstāj tradicionālās diodes ar MOSFET ar zemu vadītspējas sprieguma kritumu, bet tai ir nepieciešamas diodes kā brīvgaitas palīgkomponenti. Šajā brīdī īpaši ātrai atkopšanas diodei ir jāpabeidz strāvas turpināšana brīdī, kad MOSFET ir izslēgts (parasti<10ns) to avoid output voltage drop. For example, in a 48V/12V DC-DC converter, C3D10065F silicon carbide Schottky diode (VF) is used= 0.65V@10A )The conversion efficiency can be increased from 92% to 96%.

3, nozares risinājumi un tehnoloģiju tendences
1. Ierīces izvēle un parametru saskaņošana
Augstas frekvences scenāriji: priekšroka tiek dota UFRD vai Šotkija diodēm. Piemēram, 20 kHz motora piedziņā UF4007 tipa UFRD TRR (35ns) ir samazināts par 88%, salīdzinot ar 1N4007 (300ns), kas var samazināt pārslēgšanas zudumus par 40%.
Augstas strāvas scenārijs: izmantojot virsmas montāžas jaudas diodes vai moduļu iepakojumu. Piemēram, SM4007 SMD diodes (4A/1000V) siltuma izkliedes efektivitāte ir divreiz lielāka nekā DO-41 pakotnei, tāpēc tā ir piemērota blīvam releju bloku izkārtojumam.
Augstsprieguma scenārijs: izvēlieties augstsprieguma silīcija skursteni vai silīcija karbīda diodi. Piemēram, 2DLG augsta sprieguma silīcija skursteņa (2000V/1A) var izturēt līdzstrāvas kopnes pārspriegumu fotoelektriskajos invertoros, savukārt C3D sērijas silīcija karbīda diožu VF (1200V/10A) ir samazināts par 50%, salīdzinot ar silīcija diodēm.
2. Izkārtojuma optimizācija un parazitāro parametru kontrole
Saīsiniet cilpu: Novietojiet brīvgaitas diodi pēc iespējas tuvāk slodzes galam, lai samazinātu maršrutēšanas induktivitāti. Piemēram, motora piedziņas PCB, kontrolējot attālumu starp diodi un motora tapu 3 mm robežās, var samazināt sprieguma pārsniegumu no 50 V līdz 15 V.
Neatkarīgs zemējums: Zvaigznes formas zemējuma dizains, lai izvairītos no traucējumiem, ko izraisa koplietojami zemējuma vadi. Piemēram, vairāku releju vadības panelī, konfigurējot neatkarīgas zemējuma ķēdes katram kanālam, var samazināt viltus palaišanas ātrumu no 5% līdz 0,1%.
Bufertīkls: Paralēlā RC absorbcijas ķēde vai TVS caurule kritiskajos mezglos. Piemēram, paralēli novietojot 10 Ω/0,1 μF RC absorbcijas tīklu starp MOSFET un induktīvo slodzi, izslēgšanas sprieguma smaile var tikt nomākta no 100 V līdz 40 V.
3. Jaunās tehnoloģijas un materiālu pielietojumi
Silīcija karbīda (SiC) diode: SiC materiāla augstais kritiskais elektriskais lauks (2,8 MV/cm) un liels elektronu piesātinājuma ātrums (2 × 10 ^ 7 cm/s) nodrošina to ar īpaši zemu vadītspējas sprieguma kritumu (VF)< 0.7V@10A )And extremely short TRR (<10ns). For example, C3D series SiC diodes can improve efficiency by 1.5% and reduce heat sink volume by 30% in photovoltaic inverters.
Gallija nitrīda (GaN) integrācijas risinājums: GaN HEMT un Šotkija diodes viena{0}}čipa integrācija nodrošina slodzes pārslēgšanu ar pārslēgšanas frekvencēm līdz MHz. Piemēram, EPC uzņēmuma GaN jaudas integrācijas modulis var samazināt apjomu līdz 1/5 no tradicionālajiem risinājumiem 48V/12V pārveidē.
4. Gadījuma izpēte: Motora piedziņas sistēmas optimizācijas prakse
Noteiktā rūpnieciskā servo piedziņā liela ātruma-bremzēšanas laikā tika konstatēti sprieguma pieaugumi, kas pārsniedza standartu, kā rezultātā bieži tika bojāts braukšanas IGBT. Sākotnējā konstrukcijā kā brīvgaitas elements tika izmantota 1N4007 diode, taču tās TRR (300n) nevar savlaicīgi absorbēt motora atpakaļgaitas elektromotora spēku. Atrisiniet problēmu, izmantojot šādus optimizācijas pasākumus:

Ierīces jaunināšana: nomainiet ar UF4007 tipa īpaši ātrās atkopšanas diodi (TRR=35ns), samazinot apgrieztā sprieguma pieaugumu no 200 V uz 60 V.
Izkārtojuma uzlabošana: pārvietojiet brīvgaitas diodi pie motora spailes, saīsiniet vadu garumu no 50 mm līdz 10 mm un samaziniet parazitāro induktivitāti no 50 nH līdz 10 nH.
Bufertīkls: paralēli pievienojiet 10 Ω/0,1 μF RC absorbcijas ķēdi starp IGBT kolektoru un motora spaili, lai vēl vairāk novērstu sprieguma pārsniegumu līdz 40 V.
Pēc optimizācijas sistēma sasniedza stabilu darbību ar pārslēgšanas frekvenci 10 kHz, un IGBT atteices līmenis samazinājās no 3 reizēm mēnesī līdz nullei, efektivitātes uzlabojums sasniedzot 2,3%.