Kako rešiti problem ogrevanja diod v komunikacijskih vezjih?

1, Mehanizem ogrevanja diod v scenarijih komunikacije
Posebnost komunikacijskih vezij vodi do treh glavnih značilnosti ogrevanja diode: visoka - izguba frekvenčnega preklopa, izguba povratnega obnovitve in izguba parazitskih parametrov. Kot primer jemljejo modul za bazno postajo 5G, je njegova delovna frekvenca presegla 4GHz, dioda pa mora dokončati preklopno preklopno preklop v nanosekundah. Na tej točki, čeprav je bil čas obratnega okrevanja (TRR) tradicionalnih diod hitrega obnavljanja (FRDS) optimiziran na 20 - 50ns, se pri visokem preklopu še vedno pojavljajo pomembne izgube. Po Joulovem zakonu, ko se preklopna frekvenca poveča z 1MHz na 10MHz, se bo preklopna izguba diode eksponentno povečala.
Povratna izguba obnovitve je še en pomemben vir toplote. Ko dioda preklopi iz stanja prevoda v presežno stanje, je treba manjšinske nosilce, shranjene v PN stičišču, odstraniti z rekombinacijo ali ekstrakcijo, in povratni obnovitveni tok (IRR), ki ga tvori ta postopek, lahko doseže 1,5 - 3 -krat več kot od sprednjega toka. V pretvornem vezju DC-DC komunikacijskega napajanja, če je izbrana hitro obnovitev s TRR =35 NS in IRR =2 A, lahko obratna izguba obnovitve ene cevi doseže 0,7 W pri preklopni frekvenci 1MHz, kar neposredno vodi do povečanja temperature vhoda.
Izguba parazitskih parametrov izvira iz pakirane induktivnosti (LPAR) in svinčeve odpornosti (rLead). V scenarijih za milimetrsko valovanje (24-100GHz) lahko parazitska induktivnost 0,5 nh ustvari nadzvočno napetost 5V, ko se tok 10A spremeni, kar povzroči dodatno porabo energije. Določena satelitska komunikacijska oprema je nekoč doživela toplotno okvaro modula zaradi neoptimizirane odpornosti na diodo, kar je povzročilo povečanje 0,3 W porabe energije v eni cevi.
2, Posebni izzivi komunikacijskih krogov
Komunikacijska oprema nalaga štiri stroge zahteve za diode:
Visokofrekvenčna združljivost: 5G osnovne postaje zahtevajo komponente, ki podpirajo frekvenčni pas 0,3-6 GHz, frekvenca izklopa (FT) tradicionalnih sid je le 100-300MHz, kar je težko izpolniti zahteve.
Značilna z nizko izgubo: Modul za optično komunikacijo potrebuje padec diodne prevodne napetosti (VF) manj kot 0,3 V, da se zmanjša slabljenje signala.
Standard visoke zanesljivosti: Komunikacija za vesoljsko vesolje zahteva, da komponente stabilno delujejo v temperaturnem območju od -55 stopinj do +125 stopnje, s stopnjo odpovedi (prileganje) manj kot 10 ^ -9/h.
Zahteva za miniaturizacijo: T/R modul faznega radarja matrike mora integrirati na stotine diod, velikost posamezne komponente pa je treba nadzorovati v 0,5 mm × 0,5 mm.
Nekateri proizvajalec bazne postaje je nekoč uporabil tradicionalne Schottky diode (SBD) za sintezo moči, vendar se je zaradi naprave TRR =10 ns učinkovitost zmanjšala za 5%. Sčasoma so prešli na Gan Hemts z ultra hitrimi diodami (UFRD), kar je povečalo učinkovitost sistema na 92%.
3, sistematična rešitev
(1) Optimizacija ravni naprave
Materialna inovacija: Tretji polprevodniški materiali - generacije (GAN, SIC) so pokazali pomembne prednosti. Mobilnost elektronov GAN diod je 5 -krat večja od SI, s frekvenco preseka do 10 GHz in 70 -odstotno zmanjšanje upora (RDS (ON)). Po uporabi SIC SBD na določeni satelitski obremenitvi je ostal stabilen pri visoki temperaturi 200 stopinj in zmanjšala porabo energije za 60%.
Strukturna inovacija: Super Junction Technology homogenizira porazdelitev električnega polja tako, da izmenično uredi p/n stolpce, kar zmanjša VF 600V SiC SBD z 1,7 V na 1,1 V. Struktura MOSFET MOSFET zmanjšuje upornost z 2M Ω · cm ² v tradicionalnih ravninskih strukturah na 0,5 m Ω · cm ².
Preboj procesa: Uporaba tehnologije ionske implantacije omogoča natančen nadzor dopinške koncentracije, kar zmanjšuje povratni naboj obnovitve (QRR) s 50NC na 5NC. Določen proizvajalec optičnega modula je skrajšal odzivni čas 10Gbps pin diod na 30ps z optimizacijo debeline epitaksialne plasti.
(2) zasnova ravni vezja
Sinhrona tehnologija za odpravljanje: Z zamenjavo tradicionalnih diod z N - tipa MOSFET je bila učinkovitost 48V komunikacijskih napajalnikov izboljšana z 85% na 94%. Po sprejetju te tehnologije je določen podatkovni center dosegel letno prihranke energije v višini 1,2 milijona kWh.
Mehka preklopna topologija: LLC resonant pretvornik doseže ničelno napetost (ZVS) skozi resonančni tok, kar zmanjšuje napetost diode za 40%. Ta topologija v 5KW komunikacijskem napajanju doseže preboj učinkovitosti 96% in zniža dvig temperature za 15 stopinj.
Optimizacija postavitve: Tehnologija 3D embalaže se uporablja za vertikalno integracijo diod z gonilnimi čipi, kar zmanjšuje parazitsko induktivnost s 3NH na 0,5NH. Določena 5G majhna bazna postaja optimizirana usmerjanje PCB, da se zmanjša induktivnost diodne zanke z 10Nh na 2NH, kar je zmanjšalo izgube stikala za 65%.
(3) Termično upravljanje na ravni sistema
Material za spreminjanje faz (PCM): vgrajen s PCM, ki temelji na parafinu v embalaži diode, pri čemer uporablja svojo latentno toploto taljenja (200-250J/g), da absorbira največjo toploto. Poskusi so pokazali, da lahko PCM zmanjša amplitudo nihanj temperature stičišča za 40% pri gostoti toplotnega toka 10W/cm ².
Mikrokanalno hlajenje: V modulu AAU bazne postaje se uporabljajo mikrokanal na osnovi mikrokanala, s širino vodnega hladilnega kanala le 50 μm in konvektivnim koeficientom prenosa toplote 10 ^ 4W/(M ² · K). Dejanski test določenega operaterja kaže, da ta tehnologija zmanjšuje dvig temperature diod s 65 stopinj na 38 stopinj.
Inteligentni algoritem za nadzor temperature: s spremljanjem sprememb diode VF v realnem času (VF se zmanjša za približno 2mV za vsako zvišanje temperature 1 stopinj), dinamično prilagaja stikalni frekvenci in delovni cikel. Po sprejetju tega algoritma lahko določena optična prenosna naprava nadzira nihanje izhodne moči znotraj ± 0,5 dB v okolju od -40 stopinj do +85.
4, primeri industrijske prakse
Huawei je sprejel shemo sinteze moči z uporabo GAN Hemt, povezano s SIC SBD v zasnovi 5G masivnih mimo antene, kar je povečalo enokanalno izhodno moč s 40W na 64W z učinkovitostjo 48%. ZTE Corporation uporablja tehnologijo sinhronega popravljanja Trench MOSFET v modulih optičnega prenosa, kar zmanjšuje porabo energije 200 g optičnih modulov z 24 W na 18 W. Ericsson vključuje mikrokanalne hladilne sisteme v napajanju na bazni postaji, kar omogoča, da gostota moči presega temperaturo 1kW/L in diode, da ostane stabilna pod 85 stopinj.