Kako se soočiti z izzivom visoko{0}}frekvenčnih diod v energetskem sistemu?

一, glavne bolečine pri visoko-pogostnih izzivih
1. Izguba nadzora zaradi elektromagnetnih motenj (EMI).
The high-frequency switching action (such as the di/dt of SiC MOSFET reaching 10 ³ -10 ⁴ A/μ s) will produce steep voltage spikes (dv/dt>10kV/μs), kar ima za posledico bistveno izboljšano prevodnost in motnje sevanja. Na primer, v fotonapetostnih pretvornikih lahko visoko{2}}frekvenčni šum moti sistem za nadzor napetosti električnega omrežja, kar povzroči napake pri pridobivanju podatkov, ki presegajo 5 %; V baznih postajah 5G se spekter EMI razteza čez 30 MHz, kar presega obseg zatiranja tradicionalnih filtrov LC. Zasnovati je treba filtre tipa π - z več vrstami, vendar bo to povečalo dodatne izgube za 2-3 %.

2. Nenadno povečanje pritiska toplotnega upravljanja
Visoka frekvenca poveča gostoto moči na več kot 15kW/L, kar povzroči znatno povečanje proizvodnje toplote na enoto prostornine. Če za primer vzamemo pogonski pretvornik novih energetskih vozil, je treba nadzorovati temperaturo spoja SiC diod pod 125 stopinj pri visoko-frekvenčnem delovanju, tradicionalna zračno-hlajena učinkovitost odvajanja toplote pa je nezadostna (manj kot ali enaka 50 W/(m² · K)), zato je potrebna uporaba kompozitnega sistema s tekočinskim hlajenjem + toplotno cevjo, vendar bo povečal težo opreme in stroški. Poleg tega so visokofrekvenčni transformatorji nagnjeni k lokalnim temperaturam navitja, ki presegajo 150 stopinj zaradi kožnih in bližinskih učinkov, kar še povečuje tveganje toplotnega uhajanja.

3. Zmogljivost materiala in ozko grlo pakiranja
Tradicionalni materiali-na osnovi silicija se pri visokih frekvencah približajo svojim fizikalnim omejitvam: povratni obnovitveni čas (TRR) silicijevih diod lahko doseže več deset do sto nanosekund, zaradi česar izgube pri preklopu znašajo več kot 30 %; Izguba železa pri transformatorjih iz silicijeve jeklene pločevine pri 100 kHz je več kot 100-krat večja od električne frekvence, kar zahteva uporabo visoko{4}}frekvenčnih materialov magnetnega jedra, kot so nanokristalne zlitine, vendar je cena visoka (5-8-krat večja od silicijeve jeklene pločevine). Kar zadeva embalažo, tradicionalna embalaža TO-247 kaže znatno parazitsko induktivnost nad 100 kHz, kar zahteva prehod na embalažo s preklopnim čipom ali ravninsko embalažo. Vendar pa je pot odvajanja toplote zapletena in stroški se povečajo za 20-30 %.

2, Tehnološki preboj: optimizacija celotne verige od naprav do sistemov
1. Uporaba novih polprevodniških materialov
Dioda iz silicijevega karbida (SiC): širina pasovne širine materiala SiC je trikrat večja od silicija, razpadna električna poljska jakost doseže 2-3MV/cm, obratni obnovitveni čas pa se lahko skrajša na nekaj deset nanosekund. V fotonapetostnih pretvornikih SiC diode zmanjšajo stikalne izgube za 30 % in dosežejo učinkovitost pretvorbe nad 98 %; V pogonskem inverterju novih energetskih vozil njegova visoka temperaturna stabilnost (spojna temperatura do 200 stopinj) podpira visokonapetostno platformo 800 V, prostornina hladilnika pa se zmanjša za 40 %.
Galijev nitrid (GaN) dioda: GaN ima mobilnost elektronov 2000 cm²/(V · s), zaradi česar je primeren za RF in visoko{1}}frekvenčne aplikacije. V sprednjem delu milimetrskih valov baznih postaj 5G GaN diode dosegajo učinkovito popravljanje signala in zaznavanje, kar zmanjša porabo energije za 30 % v primerjavi s silicijevimi napravami in podpira stabilno delovanje v frekvenčnem pasu 24GHz-52GHz.
Dioda iz dvodimenzionalnega materiala: grafenska dioda uporablja značilnosti ničelne pasovne vrzeli za doseganje visoke-hitrosti preklapljanja v frekvenčnem pasu terahercev (THz), kar zagotavlja osnovne komponente za komunikacijo 6G pred raziskavami; MoS ₂ diode dosegajo programabilne rektifikacijske karakteristike s pomočjo heterojunkcijskih struktur, nadomeščajo več funkcionalnih naprav v rekonfigurabilnih računalniških čipih in izboljšujejo integracijo in energetsko učinkovitost.
2. Inovacije v tehnologiji pakiranja
Tridimenzionalna navpična struktura: z uporabo tehnik globokega jedkanja in epitaksialne rasti se pot prenosa toka spremeni iz vodoravne v navpično, s čimer se poveča gostota toka na več kot 200 A/cm². Navpične diode SiC PiN lahko prenesejo na tisoče voltov povratne napetosti v visoko{2}}napetostnih sistemih za prenos enosmernega toka (HVDC), kar zmanjša število komponent pretvorniške postaje in sistemske izgube.
Tehnologija površinske montaže (SMT) in tehnologija flip chip: embalaža SMT poveča kontaktno površino med diodami in vezji, kar izboljša učinkovitost odvajanja toplote za 40 %; Tehnologija obrnjenega čipa skrajša povezovalno razdaljo med čipi in vezji, zmanjša izgube pri prenosu signala in toplotno odpornost ter je primerna za visoko-frekvenčne scenarije in visokotokovne scenarije v{-elektronskih napravah višjega cenovnega razreda.
Embalaža z nizkimi parazitskimi parametri: uporaba veznih žic z nizko induktivnostjo in substratnih materialov z nizko kapacitivnostjo za zmanjšanje vpliva parazitskih parametrov embalaže na visoko-frekvenčno zmogljivost. Na primer, parazitna induktivnost embalaže modulov SiC, ki jo je razvilo določeno podjetje, je tako nizka kot 2nH in podpira povečanje preklopne frekvence nad 1MHz.
3, Optimizacija sistema: skupne inovacije od načrtovanja do delovanja
1. Zasnova za zatiranje EMI in elektromagnetno združljivost (EMC).
Tehnologija filtriranja in zaščite z več vrstami: V fotonapetostnih pretvornikih se kombinacija filtrov tipa π - in običajnih dušilk uporablja za dušenje visoko-frekvenčnega šuma nad 30 MHz; V novih energetskih polnilnih postajah za vozila se zaščitna bakrena folija in kovinski pokrovi uporabljajo za zmanjšanje elektromagnetnega sevanja in izpolnjujejo standarde CISPR 32.
Tehnologija mehkega preklapljanja: Z uporabo preklapljanja z ničelno napetostjo (ZVS) ali preklapljanja z ničelnim tokom (ZCS) za zmanjšanje di/dt in dv/dt so izgube povratne obnovitve minimizirane. Na primer, po uporabi tehnologije mehkega preklopa na določeni močnostni elektronski napravi se je skupna poraba energije sistema zmanjšala za več kot 25 %.
Dinamično upravljanje EMI, ki ga poganja umetna inteligenca: uporaba modelov strojnega učenja za analizo preteklih podatkov o delovanju, predvidevanje trenutnih nihanj in optimizacijo strategij nadzora diod. Določena patentna shema na primer uporablja nevronske mreže za prilagoditev časovnega prevajanja v realnem času, kar zmanjša šum EMI za 15 dB.
2. Inteligentna nadgradnja sistema toplotnega upravljanja
Kompozitno odvajanje toplote s tekočinskim hlajenjem in fazno spremenljivim materialom (PCM): V elektroenergetskem sistemu podatkovnih centrov je sprejeta shema odvajanja toplote s tekočo hladilno ploščo + polnilo PCM za stabilizacijo spojne temperature SiC diod pod 125 stopinj in povečanje gostote moči na 20 kW/L.
Toplotna simulacija in optimizacija topologije: simulirajte porazdelitev toplotnega toka visoko{0}}frekvenčnih diod z orodji, kot je ANSYS Icepak, optimizirajte postavitev tiskanega vezja in zasnovo hladilnega telesa. Na primer, projekt OBC za novo energetsko vozilo je s toplotno simulacijo zmanjšal prostornino hladilnika za 30 % in dvig temperature za 5 stopinj.
Inteligentni algoritem temperaturne kompenzacije: v pretvorniškem sistemu za shranjevanje energije algoritem umetne inteligence dinamično prilagaja pogonsko napetost diode na podlagi realnega-časovnega dviga temperature, da prepreči napako zaradi pregrevanja. Načrt določenega podjetja podaljša življenjsko dobo neprekinjenega delovanja sistema na več kot 10 let v okolju 45 stopinj.