Разбиране на функцията на диода и основните му характеристики в преобразуването на мощност

Функция на диода в преобразуватели на мощност: Основата на изправянето

Диодите са от съществено значение за изправянето в системите за преобразуване на енергия, като осигуряват преобразуването на променлив ток (AC) в постоянен ток (DC). Тяхното еднопосочно протичане на ток блокира обратните напрежения, докато позволява проводимост в правилната посока, формирайки основата на AC-DC преобразуватели, зарядни устройства за батерии и индустриални захранвания, където стабилният DC изход е от решаващо значение.

Ключови характеристики на диодите: пад на напрежение в проводима посока, толерантност към обратно напрежение и способност за пренасяне на ток

Три основни параметъра определят производителността на диодите:

• Пад на напрежение в проводима посока (0,7 V за силиций): Влияе директно върху загубите при проводимост и ефективността на системата
• Толерантност към обратно напрежение (от 50 V до над 10 kV): Определя максималната блокираща способност
• Способност за пренасяне на ток (от 1 A до 500 A): Влияе върху топлинния дизайн и избора на компоненти

Диодите от силициев карбид (SiC) имат пад на напрежение около 1,2 V, но работят ефективно при по-високи температури (до 175 °C), което ги прави подходящи за високомощни и високоефективни приложения.

Еднопосочен ток и неговото влияние върху стабилността на системата

Диодите работят, като позволяват протичането на ток само в една посока, което спира нежеланото обратно течение, което би могло да наруши нивата на напрежение или да повреди други части от веригата. Когато слънчевите инвертори трябва да се защитят от прекъсвания на захранването, те разчитат на това свойство, за да изключат безопасно фотогалваничните панели. По същия начин съвременните USB-C зарядни устройства включват диоди, за да предотвратят случайни ситуации на обратно зареждане, които биха могли да повредят устройствата. Факторът надеждност е това, което прави диодите толкова важни за критични системи, където изключването изобщо не е опция. Помислете за дата центрове, работещи непрекъснато, или машини за животоподдържащи системи в болници – тези приложения просто не могат да си позволят никаква електрическа нестабилност.

Стандартни изправящи диоди срещу бързо възстановяващи диоди: Сравнение на скоростта на комутация и ефективност

Стандартните изправителни диоди са икономични и здрави, идеални за преобразуване на променлив в постоянен ток при ниски честоти (под 1 kHz). Те поддържат токове до 1000 A и издържат обратно напрежение над 5 kV, често използвани в батерийни зарядни устройства и заваръчни системи. Въпреки това, дългото им време за възстановяване (25–50 µs) води до значителни загуби при комутация над 10 kHz.

Диодите с бързо възстановяване намаляват времето за възстановяване под 2 µs, минимизирайки загубите при комутация в преключващи захранвания (SMPS) и задвижвания на двигатели. Въпреки че имат малко по-високо падащо напрежение в проводимо състояние (1,1–1,5 V), предимството им в ефективността при работа на висока честота оправдава използването им в съвременната силова електроника.

Щотки диоди в приложения за преобразуване на мощност при ниско напрежение и висока честота

Щотки диоди използват преход метал-полупроводник, за да постигнат ниско напрежение в отворено състояние (0,15–0,45 V), намалявайки загубите при проводимост с до 70% в сравнение със стандартни силициеви диоди. Благодарение на пренебрежимо малък обратен заряд при възстановяване, те работят надеждно на честоти над 1 MHz — идеални за DC/DC преобразуватели в слънчеви микроинвертори и захранващи устройства за сървъри.

Техният компромис е ограничена способност за обратно напрежение (обикновено < 200 V). Щотки диодът 1N5819 е пример за този баланс, като осигурява 1 A правоначален ток с пад на напрежението 0,6 V при 40 V обратно напрежение, което подпомага компактни и ефективни проекти за USB-C зареждане.

Ценерови диоди за стабилизиране на напрежението в прецизни захранващи устройства

Стабилитроните работят в т.нар. режим на обратно пробиване, като осигуряват стабилни опорни напрежения в диапазона от 2,4 волта до 200 волта, обикновено с точност около ±5%. Това, което прави тези компоненти толкова полезни, е тяхната много остра крива на пробиване, която им позволява да регулират напрежението доста точно, дори и при промени в захранването. Вземете за пример стандартен 12-волтов стабилитрон – той може да поддържа изхода почти постоянен, с разлика около 0,1 волт, дори ако входното напрежение варира от 14 до 18 волта. Поради тази надеждност инженерите често разчитат на стабилитрони в различни аналогови схеми, както и в защитни вериги, предназначени да предпазват чувствителни уреди от неочаквани скокове на напрежението.

Диоди от силициев карбид (SiC-SBD и Super Junction SBD): Производителност от следващото поколение

Топлинните характеристики на диодите от силициев карбид (SiC) са наистина впечатляващи, като издържат температури на прехода до 175 градуса по Целзий и провеждат топлина три пъти по-ефективно в сравнение с обикновените силициеви компоненти. Когато става дума за диоди със супервръзка и Шотки бариера (SJ-SBD), и те предлагат сериозни предимства. Тези малки енергийни централи управляват времена на възстановяване под десет наносекунди и могат да блокират напрежения до 1200 волта. Такива технически параметри се превеждат в около 99 процента ефективност, когато се използват в онези зарядни станции за електрически превозни средства с мощност 5 киловата, които все по-често се появяват навсякъде. Какво прави тази технология толкова ценна? Ами промишлените моторни задвижвания сега имат нужда от значително по-малко охлаждане благодарение на тези компоненти, които намаляват топлинното отделяне с около четиридесет процента. Освен това позволяват честоти на комутация над 100 килогерца, което е от голямо значение за създаването на по-малки и по-ефективни инвертори в системите за възобновяема енергия.

Сравнение на ключови характеристики

Тип диод	Напрежение в отпред	Скорост на комутация	Обхват на напрежението	Най-добри приложения
Стандартен изправител	0,7–1,1 V	<3 kHz	50 V–5 kV	Електронни трансформатори с промишлена честота
Бързо възстановяване	1,1–1,5 V	10–100 kHz	200 V–1,2 kV	SMPS, UPS системи
Шотки	0,15–0,45 V	>1 MHz	<200 V	DC/DC преобразуватели, RF схеми
SiC-SBD	1,2–1,8 V	50–500 kHz	600 V–1,7 kV	Зарядни устройства за ЕП, слънчеви инвертори

Таблица 1: Експлоатационни характеристики на типове диоди в системи за преобразуване на енергия (Източник: Промишлени стандарти 2023)

Подобряване на ефективността при преобразуването на електроенергия с усъвършенствани диодни технологии

Намаляване на загубите от напрежение в проводимо състояние с Шотки и SiC диоди за повишаване на ефективността

Падът на напрежението в проводящо състояние има пряко влияние върху загубите при проводимост в енергийните системи. Обикновените силициеви диоди обикновено губят около 0,7 до 1,1 волта, но при Шотки диодите тези загуби намаляват до само 0,3 до 0,5 волта. А ако отидем още по-напред с диоди от тип Шотки бариера върху карбид на силиций (SiC SBD), представянето става още по-добро. При приложения с висок ток, например за захранвания на сървъри, тези малки икономии на напрежение се натрупват значително. Говорим за икономия от 15 до 30 вата на отделен диод, което прави голяма разлика при оценката на общата ефективност на системата в дългосрочен план.

Минимизиране на загубите при комутация чрез оптимизирани характеристики на обратното възстановяване

С увеличаването на честотата нарастват и загубите при превключване поради т.нар. обратен ток на възстановяване, който всъщност е краткотрайният скок, когато всички натрупани заряди изчезват. Бързо възстановяващи се диоди помагат за контролиране на този проблем, тъй като могат да се възстановят за около 50 до 100 наносекунди. Но има и друго решение изобщо – SiC-SBD диодите, които напълно премахват този проблем благодарение на своите униполярни проводими свойства. Когато тествахме това, като заменихме обикновени силициеви бързо възстановяващи се диоди с тези нови SiC-SBD в конфигурация на DC-DC преобразувател с честота 500 kHz, резултатите бяха доста впечатляващи. Загубите при превключване намаляха с около 60 процента, което означава по-добра общна ефективност и значително по-малко топлинно натоварване върху компонентите на системата.

Кейс Стъди: Подобрение на ефективността в захранване за сървър 500W с използване на SiC-SBD диоди

Замяната на традиционните силициеви диоди с такива от силициев карбид (SiC-SBD) както в PFC, така и в изходната секция на блок за захранване от 500 вата (AC към DC) за сървъри повишава общата ефективност от около 90,5 процента до цели 92 процента. Защо това работи толкова добре? Новоустановените компоненти имат значително по-ниско падане на напрежението в проводима посока, както и почти липсва обратен ток при превключване. Тази комбинация намалява загубите на енергия с около 23 вата общо и премахва около 15 градуса по Целзий от топлинното натоварване в различни части вътре в системата. Приближаването към труднодостъпната сертификация 80 Plus Titanium вече е възможно благодарение на това подобрение. Помнете, че центровете за данни се нуждаят от захранвания, които постигат поне 94% ефективност според тези стандарти, затова всеки процент има значение при проектирането на инфраструктурата за бъдещите изчислителни нужди.

Критични приложения на диоди в захранвания и системи за зареждане

Изходно изправяне и филтриране за чисто DC изходно напрежение в AC-DC преобразуватели

Преобразуването от AC към DC работи, когато диодите приемат променлив ток и го превръщат в така наречения пулсиращ постоянен ток. След това кондензаторите и индуктивностите изглаждат тези пулсации, за да получим стабилен постоянен ток накрая. По-новите бързо възстановяващи се диоди всъщност намаляват загубата на енергия по време на този процес. Тестове показват около 22-процентно подобрение в ефективността при захранвания от 1 киловат в сравнение с обикновените. Това има голямо значение, защото чувствителни уреди като медицинско оборудване и устройства, свързани с интернет, се нуждаят от много чист ток, за да функционират правилно, без смущения или повреди.

Употреба на диоди в зарядни устройства за мобилни устройства: Балансиране на размер, цена и ефективност

Диодите на Шотки работят изключително добре в компактни мобилни зарядни устройства, защото имат по-ниско падащо напрежение напред – около 0,3 волта, вместо обичайните 0,7 волта при другите типове. Това означава, че се генерира по-малко топлина вътре в тези малки устройства, където всеки милиметър има значение. И ефективността е доста впечатляваща – някои тестове показват около 95 процента ефективност за съвременните 20-ватови USB-C зарядни устройства на пазара. Когато става въпрос за печатни платки, говорим за намаляване на необходимото пространство с приблизително 30 процента в сравнение с по-старите мостови схеми за изправяне. За инженерите, които проектират такива решения, балансирането на фактори като динамично съпротивление и топлинен контрол става от решаващо значение. Те трябва да гарантират надеждност без прекомерни разходи, тъй като потребителите продължават да очакват достъпни цени, дори и с напредъка на технологията.

Предпазване от обратен ток в вериги за зареждане на батерии с помощта на бариерни диоди

Блокиращите диоди предотвратяват губенето на енергия от батериите, като осигуряват токът да тече само в една посока. Когато става дума конкретно за литиево-йонни блокове, тези компоненти могат да спестят около 8 процента от съхранената енергия, тъй като блокират нежелан разряд през неизползвани връзки. Когато се използват заедно с MOSFET транзистори в така наречената OR конфигурация, системата губи около 0,1 волта по време на работа. Това има голямо значение за резервни захранвания, където плавните преходи между източниците на енергия са от решаващо значение. Конфигурацията също отговаря на важни изисквания за безопасност, посочени в стандарта IEC 62133, който се прилага за много ежедневни електронни устройства, които използваме всеки ден.

Часто задавани въпроси

Каква е основната функция на диода в преобразувателите на електроенергия?

Диодите се използват предимно за изправяне в преобразувателите на електроенергия, като превръщат променливия ток (AC) в постоянен ток (DC), като позволяват токът да тече само в една посока, което е от съществено значение за стабилния DC изход в приложения като AC-DC преобразуватели и зарядни устройства за батерии.

Какви са основните характеристики на диодите?

Основните характеристики на диодите включват пад на напрежение в проводимо състояние, устойчивост към обратно напрежение и способност за пренасяне на ток, които значително влияят на тяхното представяне в системи за преобразуване на енергия.

Как се сравняват Шотки диодите с обикновените силициеви диоди?

Шотки диодите имат по-нисък пад на напрежение в проводимо състояние в сравнение с обикновените силициеви диоди, намалявайки загубите при проводимост с до 70%, но като цяло имат ограничена устойчивост към обратно напрежение.

Защо силициево-карбидните (SiC) диоди са предимни?

Силициево-карбидните диоди предлагат по-висока топлинна ефективност, могат да работят при по-високи напрежения и значително намаляват загубите при комутация, което ги прави идеални за високомощни и високоефективни приложения.