Como selecionar diodos adequados para sistemas de energia de alta-tensão?

一, Classificação técnica e características principais de diodos de alta-tensão
1. Classifique por material e estrutura
Diodo de alta-tensão baseado em silício: a escolha principal, com uma tensão suportável de vários milhares de volts e um longo tempo de recuperação reversa (nível de microssegundos), adequado para retificação de frequência de energia.
Diodo de alta-tensão de carboneto de silício (SiC): com uma tensão suportável superior a 3.300 V, o tempo de recuperação reversa é reduzido para nanossegundos e excelente desempenho em-alta temperatura (a temperatura da junção pode chegar a 200 graus), adequado para cenários de comutação de alta-frequência.
Diodo passivado de vidro (GPP): Ao disparar uma camada de vidro na superfície da junção PN, a estabilidade de tensão e a resistência à umidade são melhoradas, com uma resistência de tensão típica de 600V-1200V.
2. Classifique por função
Diodo retificador: converte CA em CC, com parâmetros centrais de corrente retificada máxima (IF) e tempo de recuperação reversa (Trr).
Diodo de recuperação rápida (FRD): Trr menor ou igual a 50ns, adequado para cenários de alta-frequência, como fontes de alimentação chaveadas e inversores.
Diodo Schottky (SBD): redução de tensão direta (0,3-0,5V), sem tempo de recuperação reversa, mas tensão suportável limitada (geralmente menor ou igual a 200V), exigindo conexão em série para aumentar a tensão suportável.
Diodo de supressão de tensão transitória (TVS): tempo de resposta menor ou igual a 1ns, tensão de fixação precisa, usado para proteção contra raios e proteção contra sobretensão.
2, Seis parâmetros principais para selecionar diodos de alta-tensão
1. Resistência de tensão (VRRM/VBR)
Definição: A tensão máxima de pico repetitivo reverso (VRRM) deve ser 1,5-2 vezes maior que a tensão máxima do sistema para evitar quebras causadas por flutuações de tensão.
Princípio de seleção:
Lado CC do inversor fotovoltaico: Um sistema de 1500 V requer um diodo de 1700 V (como a série Taike Tianrun G3S170).
Sistema de tração de trânsito ferroviário: O sistema de 3300 V requer um diodo SiC de 3300 V (como a série Taike Tianrun G3S330).
2. Capacidade de Fluxo (IF/IFSM)
Definição: A corrente média retificada (IF) deve ser 1,5 vezes maior que a corrente média do sistema; A corrente de pico de pico (IFSM) precisa suportar o impacto instantâneo durante a inicialização ou curto-circuito.
Princípio de seleção:
Acionamento de motor industrial: Escolha IF maior ou igual a 2 vezes a corrente nominal, IFSM maior ou igual a 10 vezes a corrente nominal.
Inversor fotovoltaico: Selecione IF maior ou igual a 1,5 vezes a corrente máxima de saída, IFSM maior ou igual a 20kA (forma de onda de 8/20 μ s).
3. Velocidade de comutação (Trr/Ton/Off)
Definição: o tempo de recuperação reversa (Trr) determina a perda de comutação em cenários de-alta frequência; O tempo Ton/Off afeta a velocidade de resposta do sistema.
Princípio de seleção:
Switching power supply (>10kHz): Selecione diodos de recuperação rápida com Trr menor ou igual a 50ns (como ASEMI MUR1660AC, Trr=35ns).
Inversor de carboneto de silício: Selecione diodos SiC com Trr menor ou igual a 10ns (como a série Taike Tianrun G3S170, Trr=8ns).
4. Queda de tensão positiva (VF)
Definição: Ao conduzir, a tensão em ambas as extremidades afeta diretamente a eficiência do sistema.
Princípio de seleção:
Cenários de baixa tensão e alta corrente (como sistemas de 48 Vcc): Deve-se dar prioridade à seleção de diodos Schottky com VF menor ou igual a 0,5 V.
Cenários de alta tensão (como acima de 1000 V): Escolha diodos SiC com VF menor ou igual a 2,5 V, o que pode melhorar a eficiência em 3-5% em comparação aos diodos de silício.
5. Desempenho térmico (TjM/Rth)
Definição: A temperatura máxima de junção (TjM) deve ser inferior ao valor limite do dispositivo (150 graus para tubos de silício, 200 graus para tubos de SiC); A resistência térmica (Rth) determina a eficiência de dissipação de calor.
Princípio de seleção:
Módulo de potência de alta densidade: Selecione dispositivos encapsulados TO-247 com Rth menor ou igual a 0,5 graus /W.
Aplicação em ambiente fechado: Selecione dispositivos com TjM maior ou igual a 175 graus e reserve espaço de desclassificação.
6. Certificação de confiabilidade
Critérios principais:
Certificação de segurança: UL (América do Norte), TUV (Alemanha), CQC (China).
Teste de vida útil: testado por 1000 horas usando HTRB (High Temperature Reverse Bias).
Confiabilidade da embalagem: evite usar embalagens de plug-in axial-e priorize a seleção de embalagens SMT (como DFN8 × 8).
3, Processo de seleção de diodo de alta tensão e análise de caso
1. Processo seletivo
Análise de requisitos: Esclareça os parâmetros do sistema, como tensão, corrente, frequência e temperatura ambiente.
Classificação do dispositivo: Selecione retificador, recuperação rápida, TVS e outros tipos de acordo com os requisitos funcionais.
Correspondência de parâmetros: selecione dispositivos candidatos com base em parâmetros principais (resistência de tensão, fluxo de corrente, velocidade).
Projeto de redução de classificação: redução de tensão em 1,5-2 vezes, redução de corrente em 1,2-1,5 vezes.
Verificação de confiabilidade: Verifique a robustez do dispositivo através do HALT (High Acceleration Life Test).
2. Casos de aplicação típicos
Caso 1: Proteção lateral DC do inversor fotovoltaico
Requisito: Um sistema de 1500 V é necessário para suportar um surto de corrente de 20 kA com uma eficiência maior ou igual a 98%.
Plano de seleção:
Retificador principal: diodo SiC Taike Tianrun 1700V/50A (G3S750P), VF=1.7V, Trr=8ns.
Proteção contra surtos: diodo Toshiba HN1D05FE TVS (VR=400V, IPP=20kA).
Efeito: Eficiência do sistema melhorada em 2%, tempo de resposta da proteção contra surtos menor ou igual a 1ns.
Caso 2: Conversor de tração para transporte ferroviário
Requisito: sistema de 3.300 V, frequência de comutação de 5 kHz, necessário para suportar corrente de curto-circuito de 100 kA.
Plano de seleção:
Módulo de retificação: diodo Taike Tianrun 3300V/50A SiC (G3S33050P), IFSM=100kA.
Diodo de recuperação rápida: ASEMI MUR3060PT (600V/30A, Trr=35ns).
Efeito: O volume do sistema é reduzido em 30% e as perdas de comutação são reduzidas em 40%.
4, Tendências Futuras na Seleção de Diodos de Alta Tensão
1. Popularização de semicondutores de banda larga
Os diodos SiC têm uma tensão suportável superior a 3300V e uma queda de tensão direta reduzida para 1,5V, tornando-os adequados para sistemas de distribuição de média tensão acima de 10kV.
Os diodos de nitreto de gálio (GaN) entraram no campo de alta-tensão, com tempo de recuperação reversa reduzido para menos de 1ns.
2. Ferramenta de seleção inteligente
O fornecedor fornece uma plataforma de simulação on-line (como o seletor Taike Tianrun SiC), que recomenda automaticamente combinações de dispositivos após inserir os parâmetros do sistema.
A tecnologia digital twin é usada para prever a vida útil e os modos de falha de dispositivos sob condições operacionais extremas.
3. Modularização e Integração
Diodo e IGBT/MOSFET são integrados em um único módulo (como a série Infineon EasyPACK), simplificando o projeto do sistema.
A embalagem do Press Pack aumenta a resistência ao choque e a eficiência de dissipação de calor de dispositivos de alta-tensão.