Como resolver o problema de aquecimento dos diodos nos circuitos de comunicação?

1, o mecanismo de aquecimento dos diodos em cenários de comunicação
A particularidade dos circuitos de comunicação leva a três características principais do aquecimento do diodo: alta - perda de comutação de frequência, perda de recuperação reversa e perda de parâmetros parasitários. Tomando o módulo da estação base 5G como exemplo, sua frequência operacional excedeu 4GHz e o diodo precisa concluir a comutação de corte de condução em nanossegundos. Nesse ponto, embora o tempo de recuperação reversa (TRR) dos diodos de recuperação rápida tradicional (FRDS) tenha sido otimizada para 20 - 50ns, perdas significativas ainda ocorrem sob comutação de alta frequência. De acordo com a lei de Joule, quando a frequência de comutação aumenta de 1MHz para 10MHz, a perda de comutação do diodo aumentará exponencialmente.
A perda de recuperação reversa é outra fonte de calor importante. Quando o diodo muda do estado condutor para o estado de corte, os portadores minoritários armazenados na junção PN precisam ser eliminados por recombinação ou extração, e a corrente de recuperação reversa (TIR) ​​formada por esse processo pode atingir 1,5 - 3 vezes a corrente direta. No circuito de conversão DC-DC da fonte de alimentação de comunicação, se um diodo de recuperação rápido com trr =35 ns e Irr =2 a é selecionado, a perda de recuperação reversa de um único tubo pode atingir 0,7W a uma frequência de comutação de 1MHz, levando diretamente a um aumento na temperatura da junção.
A perda de parâmetros parasitários se origina da indutância embalada (LPAR) e da resistência ao chumbo (RLEAD). Em cenários de comunicação com ondas milimétricas (24-100GHz), uma indutância parasitária de 0,5NH pode gerar uma tensão de 5V de sobreposição quando uma corrente de 10A muda, causando consumo adicional de energia. Um certo equipamento de comunicação de satélite, uma vez que experimentou falha térmica do módulo devido a uma resistência não otimizada do chumbo do diodo, resultando em um aumento de 0,3W no consumo de energia do tubo único.
2, desafios especiais dos circuitos de comunicação
O equipamento de comunicação impõe quatro requisitos rígidos em diodos:
Compatibilidade de alta frequência: as estações base 5G requerem componentes para suportar a faixa de frequência de 0,3 a 6 GHz, e a frequência de corte (TD) dos diodos tradicionais de Si é de apenas 100-300MHz, o que é difícil de atender aos requisitos.
Característica de baixa perda: o módulo de comunicação óptica requer uma queda de tensão de condução de diodo (VF) inferior a 0,3V para reduzir a atenuação do sinal.
Padrão de alta confiabilidade: a comunicação aeroespacial exige que os componentes operem estável dentro de uma faixa de temperatura de -55 graus até +125 grau, com uma taxa de falha (ajuste) inferior a 10 ^ -9/h.
Requisito de miniaturização: o módulo T/R do radar de matriz fases precisa integrar centenas de diodos, e o tamanho de um único componente precisa ser controlado dentro de 0,5 mm × 0,5 mm.
Um determinado fabricante da estação base usou diodos Schottky tradicionais (SBDS) para síntese de energia, mas devido ao dispositivo TRR =10 ns, a eficiência diminuiu em 5%. Eventualmente, eles mudaram para Gan Hemts com diodos de recuperação ultra -rápida (UFRDS), que aumentaram a eficiência do sistema para 92%.
3, solução sistemática
(1) otimização do nível do dispositivo
Inovação material: o terceiro - geração de materiais semicondutores (GaN, sic) mostraram vantagens significativas. A mobilidade eletrônica dos diodos GaN é 5 vezes a do SI, com uma frequência de corte de até 10 GHz e uma redução de 70% na resistência (RDS (ON)). Depois de usar o SIC SBD em uma certa carga útil de satélite, permaneceu estável a uma alta temperatura de 200 graus e reduziu o consumo de energia em 60%.
Inovação estrutural: a Super Junction Technology homogeneiza a distribuição de campo elétrico, organizando alternadamente as colunas P/N, reduzindo o VF de 600V SiC SBD de 1,7V para 1,1V. A estrutura do MOSFET da trincheira reduz a resistência em 2m ω · cm ² em estruturas planas tradicionais a 0,5m Ω · cm ².
Avanço do processo: o uso da tecnologia de implantação de íons permite o controle preciso da concentração de doping, reduzindo a carga de recuperação reversa (QRR) de 50NC para 5NC. Um determinado fabricante do módulo óptico reduziu o tempo de resposta de diodos de pino de 10 Gbps para 30ps, otimizando a espessura da camada epitaxial.
(2) projeto de nível de circuito
Tecnologia de retificação síncrona: substituindo os diodos tradicionais por n - tipo MOSFETs, a eficiência das fontes de alimentação de comunicação de 48V foi melhorada de 85% para 94%. Depois de adotar essa tecnologia, um certo data center alcançou uma economia anual de energia de 1,2 milhão de kWh.
Topologia de comutação suave: o LLC Resonant Converter alcança a comutação de tensão zero (ZVS) através da corrente ressonante, reduzindo a tensão de tensão do diodo em 40%. Em uma fonte de alimentação de comunicação de 5kW, essa topologia alcança um avanço de eficiência de 96% e reduz o aumento da temperatura em 15 graus.
Otimização do layout: a tecnologia de embalagem 3D é usada para integrar verticalmente diodos com chips de motorista, reduzindo a indutância parasitária de 3NH a 0,5NH. Um certo roteamento de PCB otimizado para estação base de 5G para reduzir a indutância do loop de diodo de 10NH para 2NH, reduzindo as perdas do interruptor em 65%.
(3) Gerenciamento térmico no nível do sistema
Material de mudança de fase (PCM): incorporado ao PCM baseado em parafina na embalagem de diodo, utilizando seu calor latente de fusão (200-250J/g) para absorver o pico de calor. Experimentos mostraram que o PCM pode reduzir a amplitude das flutuações da temperatura da junção em 40% a uma densidade de fluxo de calor de 10W/cm ².
Resfriamento do microcanal: Os dissipadores de calor do microcanal à base de silício são usados ​​no módulo AAU da estação base, com uma largura do canal de resfriamento de água de apenas 50 μm e um coeficiente de transferência de calor convectivo de 10 ^ 4w/(m q · k). O teste real de um determinado operador mostra que essa tecnologia reduz o aumento da temperatura de diodos de 65 graus para 38 graus.
Algoritmo inteligente de controle de temperatura: ao monitorar as alterações no diodo VF em tempo real (a VF diminui em cerca de 2mV para cada aumento de 1 grau de temperatura), ajustando dinamicamente a frequência de comutação e o ciclo de trabalho. Após adotar esse algoritmo, um determinado dispositivo de transmissão óptica pode controlar a flutuação da potência de saída dentro de ± 0,5dB em um ambiente de -40 graus para +85 grau.
4, casos de prática da indústria
A Huawei adotou um esquema de síntese de energia usando GaN HEMT emparelhado com SiC SBD no projeto de antenas MIMO maciças 5G, que aumentou a potência de saída de canal único de 40W para 64W com uma eficiência de 48%. A ZTE Corporation aplica a tecnologia de retificação síncrona MOSFET em módulos de transmissão óptica, reduzindo o consumo de energia dos módulos ópticos de 200g de 24W a 18W. O Ericsson integra sistemas de resfriamento de microcanais nas fontes de alimentação da estação base, permitindo que a densidade de potência exceda 1kW/L e a temperatura da junção do diodo permaneça estável abaixo de 85 graus.