Kā atrisināt diožu sildīšanas problēmu sakaru ķēdēs?

1, diožu sildīšanas mehānisms sakaru scenārijos
Komunikācijas shēmu specifika noved pie trim diožu sildīšanas galvenajiem raksturlielumiem: augsts - frekvences pārslēgšanās zudums, reversās atkopšanas zudumi un parazītu parametru zudums. Izmantojot 5G bāzes stacijas PA moduli kā piemēru, tā darbības frekvence ir pārsniegusi 4GHz, un diodei ir jāaizpilda vadīšanas izslēgšanas pārslēgšana nanosekundēs. Šajā brīdī, kaut arī tradicionālo ātrās atveseļošanās diožu (FRD) apgrieztā atkopšanas laiks (TRR) ir optimizēts līdz 20 - 50NS, ievērojami zaudējumi joprojām rodas augstas frekvences pārslēgšanas laikā. Saskaņā ar Joule likumu, kad pārslēgšanās frekvence palielinās no 1MHz līdz 10MHz, diodes pārslēgšanās zudums palielināsies eksponenciāli.
Apgrieztā reģenerācijas zudumi ir vēl viens būtisks siltuma avots. Kad diode pārslēdzas no vadošā stāvokļa uz robežas stāvokli, PN krustojumā saglabātie mazākuma pārvadātāji ir jānovērš, izmantojot rekombināciju vai ekstrakciju, un šī procesa veidotā apgrieztā reģenerācijas strāva (IRR) var sasniegt 1,5 - 3 reizes vairāk nekā priekšējās strāvas. DC-DC konvertēšanas ķēdē sakaru barošanas avotam, ja tiek izvēlēta ātra atkopšanas diode ar Trr =35 ns un irr =2 A, vienas caurules apgrieztā atgūšanas zudums var sasniegt 0,7 W, kas mainās ar 1MHz pārslēgšanas frekvenci, tieši izraisot krustojuma temperatūras paaugstināšanos.
Parazītu parametru zudums rodas no iesaiņotās induktivitātes (LPAR) un svina pretestības (RLEAD). Milimetru viļņu komunikācijas (24–100 GHz) scenārijos parazītu induktivitāte 0,5 nh var radīt pārsniegtu 5 V spriegumu, mainoties 10A strāvai, izraisot papildu enerģijas patēriņu. Noteiktam satelīta sakaru aprīkojumam, kas savulaik piedzīvoja moduļa termisko kļūmi neoptimizētas diodes svina pretestības dēļ, kā rezultātā vienas caurules enerģijas patēriņš palielinās par 0,3 W.
2, īpašas komunikācijas shēmu problēmas
Komunikācijas aprīkojums diodes uzliek četras stingras prasības:
Augstas frekvences savietojamība: 5G bāzes stacijām ir nepieciešami komponenti, lai atbalstītu 0,3-6 GHz frekvences joslu, un tradicionālo Si diožu robežas frekvence (FT) ir tikai 100-300MHz, kuru ir grūti izpildīt prasības.
Zema zudumu raksturlielums: optiskās sakaru modulim ir nepieciešams diodes vadīšanas sprieguma kritums (VF), kas mazāks par 0,3 V, lai samazinātu signāla vājināšanos.
Augstas uzticamības standarts: Aviācijas un kosmosa komunikācija prasa komponentus stabili darboties temperatūras diapazonā -55 grādu līdz +125 grādam, ar kļūmju līmeni (piemērotību) mazāks par 10 ^ -9/h.
Miniaturizācijas prasība: fāzēta masīva radara T/R modulim ir jāintegrē simtiem diožu, un viena komponenta lielums jākontrolē 0,5 mm × 0,5 mm attālumā.
Noteikts bāzes stacijas ražotājs, kas reiz izmantoja tradicionālās Schottky diodes (SBD) enerģijas sintēzei, bet, ņemot vērā ierīces Trr =10 ns, efektivitāte samazinājās par 5%. Galu galā viņi pārgāja uz GaN Hemts ar īpaši ātru atkopšanas diodes (UFRD), kas palielināja sistēmas efektivitāti līdz 92%.
3, sistemātisks risinājums
(1) Ierīces līmeņa optimizācija
Materiālu inovācija: trešais - paaudzes pusvadītāju materiāli (GAN, SIC) ir parādījuši ievērojamas priekšrocības. Gan diožu elektronu mobilitāte ir 5 reizes lielāka par Si, ar robežas frekvenci līdz 10 GHz un 70% samazinājumu pretestībā (RDS (ON)). Pēc SIC SBD lietošanas uz noteiktas satelīta kravas tā bija stabila augstā temperatūrā 200 grādos un samazināja enerģijas patēriņu par 60%.
Strukturālā inovācija: Super Junction Technology homogenizē elektriskā lauka sadalījumu, pārmaiņus sakārtojot P/N kolonnas, samazinot VF 600 V SIC SBD no 1,7 V līdz 1,1 V. Tranšejas MOSFET struktūra samazina pretestību no 2 m Ω · cm ² tradicionālajās plakanajās struktūrās līdz 0,5 m Ω · cm ².
Procesa izrāviens: Jonu implantācijas tehnoloģijas izmantošana ļauj precīzi kontrolēt dopinga koncentrāciju, samazinot apgrieztā reģenerācijas lādiņu (QRR) no 50NC līdz 5NC. Noteikts optiskā moduļa ražotājs ir saīsinājis 10 Gbps PIN diožu reakcijas laiku līdz 30p, optimizējot epitaksiālā slāņa biezumu.
(2) Ķēdes līmeņa dizains
Sinhronā labošanas tehnoloģija: aizstājot tradicionālās diodes ar n - tipa MOSFET, 48 V sakaru barošanas avotu efektivitāte ir uzlabota no 85% līdz 94%. Pēc šīs tehnoloģijas pieņemšanas noteikts datu centrs sasniedza gada enerģijas ietaupījumu 1,2 miljonu kWh.
Mīkstā komutācijas topoloģija: LLC rezonanses pārveidotājs ar rezonanses strāvas palīdzību sasniedz nulles sprieguma pārslēgšanu (ZV), samazinot diodes sprieguma spriegumu par 40%. 5 kW komunikācijas barošanas avotā šī topoloģija sasniedz 96% efektivitātes izrāvienu un samazina temperatūras paaugstināšanos par 15 grādiem.
Izkārtojuma optimizācija: 3D iepakojuma tehnoloģija tiek izmantota, lai vertikāli integrētu diodes ar vadītāja mikroshēmām, samazinot parazītu induktivitāti no 3NH līdz 0,5 nh. Noteiktā 5G maza bāzes stacija optimizēta PCB maršrutēšana, lai samazinātu diodes cilpas induktivitāti no 10 nh līdz 2N, samazinot slēdža zudumus par 65%.
(3) Sistēmas līmeņa termiskā pārvaldība
Fāzes maiņas materiāls (PCM): iegults ar parafīnu balstītu PCM diodes iepakojumā, izmantojot tā latento kušanas siltumu (200-250J/g), lai absorbētu maksimālo siltumu. Eksperimenti parādīja, ka PCM var samazināt krustojuma temperatūras svārstību amplitūdu par 40% ar siltuma plūsmas blīvumu 10W/cm ².
Mikrokanāla dzesēšana: bāzes stacijas AAU modulī tiek izmantotas mikrokanāla siltuma izlietnes ar ūdens dzesēšanas kanāla platumu tikai 50 μm un konvektīva siltuma pārneses koeficients 10 ^ 4W/(m ² · k). Noteiktā operatora faktiskais tests parāda, ka šī tehnoloģija samazina diožu temperatūras paaugstināšanos no 65 grādiem līdz 38 grādiem.
Inteliģents temperatūras kontroles algoritms: Pārraugot diodes VF izmaiņas reālā laikā (VF samazinās par aptuveni 2MV uz katriem uz 1 pakāpi temperatūras paaugstināšanos), dinamiski pielāgojot pārslēgšanas frekvenci un darba ciklu. Pēc šī algoritma pieņemšanas noteikta optiskā pārraides ierīce var kontrolēt izejas jaudas svārstības ± 0,5 dB vidē -40 grādu līdz +85 grādam.
4, nozares prakses gadījumi
Huawei ir pieņēmusi enerģijas sintēzes shēmu, izmantojot GAN HEMT, kas savienots pārī ar SIC SBD 5G masīvu MIMO antenu projektēšanā, kas ir palielinājusi viena kanāla izejas jaudu no 40 W līdz 64W ar efektivitāti 48%. ZTE Corporation piemēro tranšejas MOSFET sinhronās labošanas tehnoloģiju optiskās pārraides moduļos, samazinot 200G optisko moduļa enerģijas patēriņu no 24W līdz 18W. Ericsson integrē mikrokanālu dzesēšanas sistēmas bāzes stacijas barošanas avotos, ļaujot enerģijas blīvumam pārsniegt 1kW/L un diodes krustojuma temperatūru, lai saglabātu stabilu zem 85 grādu.