Diodo funkcijos ir pagrindinių charakteristikų supratimas energijos konvertavime

Diodo funkcija energijos keitikliuose: lyginimo pagrindas

Diodai yra būtini lyginimui energijos konvertavimo sistemose, leidžiantys keisti kintamąjį srovę (AC) į nuolatinę srovę (DC). Jų vienkryptė srovė blokuoja atvirkštinį įtampą, tuo pačiu leisdama tiesioginį laidumą, sudarydama AC-DC keitiklių, akumuliatorių įkroviklių ir pramoninių maitinimo šaltinių pagrindą, kur pastovi DC išvestis yra kritiškai svarbi.

Pagrindinės diodų charakteristikos: tiesioginė įtampos kritimo vertė, atvirkštinės įtampos atsparumas ir srovės perdavimo geba

Trys pagrindiniai parametrai nustato diodo našumą:

• Atvirkštinis įtampų kritimas (0,7 V siliciui): Tiesiogiai veikia laidumo nuostolius ir sistemos efektyvumą
• Atvirkštinės įtampos atsparumas (50 V iki 10 kV ir daugiau): Nustato maksimalią blokavimo gebą
• Srovės perdavimo geba (1 A iki 500 A): Įtakoja šiluminį projektavimą ir komponentų parinkimą

Silicio karbido (SiC) diodai turi apie 1,2 V tiesioginį kritimą, tačiau efektyviai veikia aukštesnėse temperatūrose (iki 175 °C), todėl yra tinkami aukštos galios ir aukšto efektyvumo programoms.

Vienakrypė srovės eiga ir jos poveikis sistemos stabilumui

Diodai veikia leisdami srovę tekėti tik viena kryptimi, dėl to išvengiama netinkamo atgalinio srovės tekėjimo, kuris gali sutrikdyti įtampos lygius arba pažeisti kitas grandinės dalis. Kai saulės inverteriams reikia apsisaugoti nuo maitinimo gedimų, jie pasikliauja šia savybe, kad saugiai atjungtų fotovoltinius modulius. Panašiai šiuolaikiniai USB-C įkrovikliai naudoja diodus, kad būtų išvengta atsitiktinio atvirkštinio įkrovimo, galinčio pažeisti įrenginius. Būtent patikimumas daro diodus tokiais svarbiais kritinėse sistemose, kurių veikime nesėkmė visiškai nepriimtina. Pagalvokite apie nepertraukiamai veikiančius duomenų centrus ar ligoninėse naudojamus gyvybės palaikymo prietaisus – šios programos negali sau leisti jokios elektros nestabilumo.

Standartiniai rectifikaciniai diodai ir greitojo atstatymo diodai: jungimosi greičio ir efektyvumo palyginimas

Standartiniai tiesinimo diodai yra ekonomiški ir patvarūs, ideali priemonė žemos dažnio kintamosios srovės / nuolatinės srovės konvertavimui (žemiau 1 kHz). Jie palaiko srovę iki 1 000 A ir atlaiko atvirkštinį įtampą virš 5 kV, dažnai naudojami baterijų įkrovikliuose ir suvirinimo sistemose. Tačiau dėl ilgo atstatymo laiko (25–50 µs) perjungimo nuostoliai tampa reikšmingi virš 10 kHz.

Greitojo atstatymo diodai sumažina atstatymo laiką iki mažiau nei 2 µs, taip mažindami perjungimo nuostolius jungiamosiose maitinimo šaltiniuose (SMPS) ir variklių valdymo sistemose. Nors jų tiesioginis įtampos kritimas šiek tiek didesnis (1,1–1,5 V), jų efektyvumo pranašumas aukšto dažnio veikimo metu pateisina jų naudojimą šiuolaikinėje energijos elektronikoje.

Šotkio diodai žemo įtampos, aukšto dažnio maitinimo konvertavimo taikymuose

Šotkio diodai naudoja metalo puslaidininkio sandūrą, kad pasiektų mažą tiesioginį įtampų kritimą (0,15–0,45 V), dėl ko laidumo nuostoliai sumažėja iki 70 % lyginant su standartiniais silicio diodais. Dėl nežymios atvirkštinės atkūrimo krovos jie patikimai veikia dažniu, viršijančiu 1 MHz – tai idealu DC/DC keitikliams saulės mikroinvertoriams ir serverių maitinimo šaltiniams.

Jų trūkumas yra ribotas atvirkštinės įtampos dydis (paprastai < 200 V). Šotkio diodas 1N5819 puikiai iliustruoja šį kompromisą, užtikrindamas 1 A tiesioginę srovę su 0,6 V kritimu esant 40 V atvirkštinei įtampai, todėl tinka kompaktiškiems ir efektyviems USB-C įkrovimo sprendimams.

Zenerio diodai tiksliesiems maitinimo šaltiniams skirti įtampos reguliavimui

Ženerio diodai veikia taip vadinamu atvirkštiniu pralaidumo režimu, kuris suteikia stabilias atraminės įtampos vertes, svyruojančias nuo 2,4 voltų iki net 200 voltų, paprastai su apie ±5 % tikslumu. Šių komponentų naudingumą lemia labai aštri pralaidumo charakteristika, leidžianti tiksliai reguliuoti įtampą net tuo atveju, kai keičiasi maitinimo šaltinio parametrai. Paimkime standartinį 12 voltų Ženerio diodą – jis gali išlaikyti išvesties įtampą pastovią, skirtumą palaikant maždaug 0,1 volto ribose, net jei įtampa įėjime kinta nuo 14 iki 18 voltų. Dėl tokios patikimumo inžinieriai dažnai pasitelkia Ženerio diodus įvairiose analoginės elektronikos schemose, taip pat apsaugos grandinėse, kurios turi apsaugoti jautrią įrangą nuo netikėtų įtampos šuolių.

Silicio karbido diodai (SiC-SBD ir Super Junction SBD): Kita kartos našumas

Silicio karbido (SiC) diodų šiluminiai rodikliai išties įspūdingi – jos gali veikti esant jungtims, kurių temperatūra siekia net 175 laipsnius Celsijaus, o šilumą laiduoja tris kartus geriau nei įprasti silicio komponentai. Kalbant apie Super Junction Schottky barjerines diodas (SJ-SBD), jos taip pat pasižymi nemenku našumu. Šios mažos galios stotys užtikrina atkūrimo trukmę trumpesnę nei 10 nanosekundžių ir gali blokuoti įtampą iki 1200 voltų. Tokios techninės charakteristikos praktikoje reiškia apie 99 procentų efektyvumą, kai jos naudojamos 5 kilovatų elektrinių automobilių krūvinėse stotyse, kurios vis dažniau pastebimos visur. Kodėl ši technologija yra tokia vertinga? Pramoniniai variklių valdymo įrenginiai dabar reikalauja žymiai mažesnio aušinimo, kadangi šie komponentai sumažina šilumos generavimą apie keturiasdešimt procentų. Be to, jie leidžia perjungimo dažniui viršyti 100 kilohercų, kas ypač svarbu mažesniems ir efektyvesniems invertoriams atsinaujinančios energijos sistemose.

Pagrindinių savybių palyginimas

Diodo tipas	Pirmyn esanti įtampos	Perjungimo greitis	Įtampos diapazonas	Geriausi taikymo atvejai
Standartinis tiesininkas	0,7–1,1 V	<3 kHz	50 V–5 kV	Linijos dažnio maitinimo šaltiniai
Greitas atkūrimas	1,1–1,5 V	10–100 kHz	200 V–1,2 kV	SMPS, UPS sistemos
Šotkio	0,15–0,45 V	>1 MHz	<200 V	DC/DC keitikliai, RF grandinės
SiC-SBD	1,2–1,8 V	50–500 kHz	600 V–1,7 kV	EV įkrovikliai, saulės inverteriai

1 lentelė: Diodų tipų našumo charakteristikos galios konvertavimo sistemose (Šaltinis: Pramonės standartinės specifikacijos 2023 m.)

Galingumo konvertavimo efektyvumo gerinimas naudojant pažangias diodų technologijas

Tiesioginės įtampos nuostolių mažinimas naudojant Šotkio ir SiC diodus siekiant padidinti efektyvumą

Atvirkštinis įtampos kritimas tiesiogiai veikia laidumo nuostolius energijos sistemose. Standartiniai silicio diodai paprastai praranda apie 0,7–1,1 voltų, tačiau su Schottky diodais šie nuostoliai sumažėja iki tik 0,3–0,5 voltų. Jei dar žengtume žingsnį pirmyn su SiC Schottky barjeriniais diodais (SBD), našumas taptų dar geresnis. Taikymuose, kuriuose teka didelės srovės, pavyzdžiui, serverių maitinimo šaltiniuose, šie maži įtampos taupymai susideda. Kalbame apie tai, kad vienam diodui sutaupoma nuo 15 iki 30 vatų, o tai ilgainiui daro didžiulį skirtumą vertinant bendrą sistemos efektyvumą.

Perjungimo nuostolių mažinimas optimizuojant atvirkštinio atkūrimo charakteristikas

Kai dažnis didėja, taip pat didėja ir perjungimo nuostoliai dėl reiškinio, vadinamo atvirkštine atkūrimo srove, kuri iš esmės yra trumpalaikis šuolis, kai visi kaupiamos įkrovos dingsta. Šią problemą padeda kontroliuoti greito atkūrimo diodai, kurie gali atkurti per apie 50–100 nanosekundžių. Tačiau yra ir kitas variantas – SiC-SBD, kuris dėl vienpolinio laidumo savybių šią problemą pašalina visiškai. Kai tai išbandėme, keisdami įprastus silicio greito atkūrimo diodus naujaisiais SiC-SBD 500 kHz DC-DC keitiklio konfigūracijoje, rezultatai buvo įspūdingi. Perjungimo nuostoliai sumažėjo apie 60 procentų, kas bendrai reiškia didesnį efektyvumą ir žymiai mažesnį šilumos kaupimąsi sistemos komponentuose.

Atvejo analizė: Efektyvumo padidėjimas 500 W serverio maitinimo šaltinyje naudojant SiC-SBD

Pakeitus tradicinius silicio diodus diodais iš silicio karbido (SiC-SBD) tiek PFC, tiek išvesties dalyje 500 vatų nuolatinės srovės maitinimo šaltinyje serveriams, bendras efektyvumas padidėjo nuo apie 90,5 procentų iki net 92 procentų. Kodėl tai veikia taip gerai? Na, šie nauji komponentai turi žymiai mažesnį tiesioginį įtampų kritimą ir beveik neturi atkūrimo srovės veikimo metu. Ši kombinacija sumažina energijos švaistymą apie 23 vatų visoje, taip pat pašalina apie 15 laipsnių Celsijaus vertę sudarančią šilumos kaupimosi dalį įvairiose sistemos viduje esančiose dalyse. Dėka šio pagerinimo dabar jau pasiekiama tokia sunkiai pagauti 80 Plus Titanium sertifikaciją. Prisiminkite, duomenų centrams reikalingi maitinimo šaltiniai, kurie pagal šiuos standartus pasiekia bent 94 % efektyvumą, todėl kiekvienas procentinis taškas tampa svarbus projektuojant rytojaus skaičiavimo infrastruktūros poreikiams.

Diodų panaudojimas maitinimo šaltiniuose ir įkrovimo sistemose

Išvesties tiesinimas ir filtravimas grynam nuolatinės srovės išvesties gavimui kintamosios įtampos į nuolatinę keitikliuose

Kintamosios įtampos į nuolatinę keitimas veikia tada, kai diodai paima kintamąją srovę ir paverčia ją taip vadinama pulsavimo nuolatine srove. Tada kondensatoriai ir ritės išlygina šiuos impulsus, kad galų gale būtų gaunama stabilizuota nuolatinė srovė. Naujesni greito atstatymo diodai iš tikrųjų sumažina energijos nuostolius šio proceso metu. Tyrimai parodė apie 22 procentų efektyvumo padidėjimą 1 kilovato maitinimo šaltiniams lyginant su įprastais. Tai yra labai svarbu, nes jautriai įrangai, tokiai kaip medicinos priemonės ir internetu jungiamos įrangos, reikia labai grynos elektros energijos tinkamam veikimui be trikdžių ar pažeidimų.

Diodų naudojimas mobiliųjų įrenginių maitinimo adapteriuose: dydžio, kainos ir efektyvumo balansas

Šotkio diodai puikiai veikia kompaktiškuose mobiliuosiuose įkrovikliuose, nes jų tiesioginė įtampa yra mažesnė – apie 0,3 voltų, palyginti su įprastais 0,7 voltų kitų tipų dioduose. Tai reiškia, kad šiuose mažuose įrenginiuose, kuriuose kiekvienas milimetras turi reikšmę, susidaro mažiau šilumos. Efektyvumo rodikliai taip pat yra įspūdingi – kai kurie tyrimai rodo apie 95 procentų efektyvumą esantiems 20 vatų USB C įkrovikliams. Kalbant apie spausdintines jungiamąsias plokštes, erdvės reikalavimai sumažėja maždaug 30 procentų, palyginti su senesnėmis tiltelinėmis lyginimo schemomis. Konstruojant tokius įrenginius inžinieriams tampa kritiškai svarbu subalansuoti tokius veiksnius kaip dinaminis pasipriešinimas ir šilumos valdymas. Jie turi užtikrinti, kad viskas liktų patikima, neperžengiant biudžeto, kadangi vartotojai vis dar tikisi prieinamų kainų, netgi tobulėjant technologijoms.

Blokuojančiųjų diodų naudojimas baterijų įkrovimo grandinėse, siekiant užkirsti kelią atgalinei srovei

Blokuojantys diodai neleidžia baterijoms prarasti energijos atgaliniu keliu, užtikrindami srovės tekėjimą tik viena kryptimi. Konkrečiai litio jonų blokams šie komponentai gali išsaugoti apie 8 procentus sukauptos energijos, nes sustabdo nenorimą išsikrovimą per neveikiančius ryšius. Kai jie naudojami kartu su MOSFET tranzistoriais taip vadinamoje ARBA konfigūracijoje, sistema veikimo metu praranda maždaug 0,1 voltą. Tai yra labai svarbu rezerviniam maitinimui, kai sklandus pereinamasis tarp skirtingų maitinimo šaltinių turi esminę reikšmę. Tokia konfigūracija taip pat atitinka svarbius saugos reikalavimus, nustatytus IEC 62133 standarte, kuris taikomas daugybei kasdien naudojamų elektroninių prietaisų.

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Kokia yra pagrindinė diodo funkcija maitinimo keitikliuose?

Diodai maitinimo keitikliuose daugiausia naudojami lyginimui – jie paverčia kintamąją srovę (AC) nuolatine srove (DC), leisdami srovei tekėti tik viena kryptimi, kas yra svarbu stabiliai DC išvesties įtampai AC-DC keitikliuose ir akumuliatorių įkrovikliuose.

Kokie yra pagrindiniai diodų bruožai?

Diodų pagrindinės charakteristikos apima tiesioginį įtampų kritimą, atvirkštinę įtampą ir srovės perdavimo gebą, kurios ženkliai veikia jų našumą maitinimo konvertavimo sistemose.

Kaip Schottky diodai skiriasi nuo standartinių silicio diodų?

Schottky diodai turi mažesnį tiesioginį įtampų kritimą lyginant su standartiniais silicio diodais, todėl laidumo nuostoliai sumažėja iki 70 %, tačiau jie paprastai turi ribotą atvirkštinės įtampos gebą.

Kodėl silicio karbido (SiC) diodai yra pranašesni?

Silicio karbido diodai pasižymi didesniu šiluminiu efektyvumu, gali išlaikyti aukštesnes įtampas ir žymiai sumažina perjungimo nuostolius, todėl yra idealūs aukštos galios ir aukšto efektyvumo taikymui.