Cum se rezolvă problema de încălzire a diodelor în circuitele de comunicare?

1, Mecanismul de încălzire al diodelor în scenarii de comunicare
Particularitatea circuitelor de comunicare duce la trei caracteristici principale ale încălzirii diodelor: HIGH - Pierderea de comutare a frecvenței, pierderea de recuperare inversă și pierderea parazitului parazitar. Luând ca exemplu modulul PA de stație de bază 5G, frecvența sa de funcționare a depășit 4GHz, iar dioda trebuie să finalizeze comutarea de întrerupere a conductării în nanosecunde. În acest moment, deși timpul de recuperare inversă (TRR) al diodelor tradiționale de recuperare rapidă (FRD) a fost optimizat la 20 - 50ns, pierderi semnificative încă apar în funcție de comutarea de înaltă frecvență. Conform legii lui Joule, atunci când frecvența de comutare crește de la 1 MHz la 10MHz, pierderea de comutare a diodei va crește exponențial.
Pierderea de recuperare inversă este o altă sursă majoră de căldură. Când dioda trece de la starea de conducere la starea de întrerupere, transportatorii minoritari depozitați în joncțiunea PN trebuie eliminați prin recombinare sau extracție, iar curentul de recuperare inversă (IRR) format de acest proces poate ajunge la 1,5 - de 3 ori mai mare decât cel al curentului înainte. În circuitul de conversie DC-DC al sursei de alimentare cu comunicare, dacă este selectată o diodă de recuperare rapidă cu TRR =35 ns și IRR =2 a, pierderea de recuperare inversă a unui singur tub poate atinge 0,7W la o frecvență de comutare de 1MHz, ceea ce duce la o creștere a temperaturii de joncțiune.
Pierderea parametrilor parazitari provine din inductanța ambalată (LPAR) și rezistența la plumb (RLEAD). În scenariile de comunicare a undelor milimetrice (24-100GHz), o inductanță parazită de 0,5NH poate genera o tensiune de depășire de 5V atunci când un curent de 10A se schimbă, provocând un consum suplimentar de energie. Un anumit echipament de comunicare prin satelit a experimentat odată ce a experimentat o defecțiune termică a modulului din cauza unei rezistențe de plumb diodei neoptimizate, ceea ce a dus la o creștere de 0,3W în consumul de energie cu un singur tub.
2, Provocări speciale ale circuitelor de comunicare
Echipamentele de comunicare impune patru cerințe stricte pentru diode:
Compatibilitatea de înaltă frecvență: stațiile de bază 5G necesită componente pentru a sprijini banda de frecvență de 0,3-6 GHz, iar frecvența de întrerupere (ft) a diodelor SI tradiționale este de doar 100-300MHz, ceea ce este dificil de îndeplinit cerințele.
Caracteristică scăzută a pierderii: modulul de comunicare optică necesită o scădere a tensiunii de conducere a diodelor (VF) mai mică de 0,3V pentru a reduce atenuarea semnalului.
Standard de fiabilitate ridicat: Comunicarea aerospațială necesită componente pentru a funcționa stabil într -un interval de temperatură de -55 grade până la gradul +125, cu o rată de eșec (FIT) mai mică de 10 ^ -9/h.
Cerința de miniaturizare: Modulul T/R al radarului cu tablou de faze trebuie să integreze sute de diode, iar dimensiunea unei singure componente trebuie controlată în 0,5 mm × 0,5mm.
Un anumit producător de stații de bază a folosit odată diode tradiționale Schottky (SBD) pentru sinteza puterii, dar datorită dispozitivului Trr =10 ns, eficiența a scăzut cu 5%. În cele din urmă, au trecut la Gan Hemts cu diode de recuperare ultrarapidă (UFRD), ceea ce a crescut eficiența sistemului la 92%.
3, soluție sistematică
(1) Optimizarea nivelului dispozitivului
Inovație materială: Al treilea - Materiale semiconductoare de generare (GAN, SIC) au arătat avantaje semnificative. Mobilitatea electronică a diodelor GAN este de 5 ori mai mare decât cea a Si, cu o frecvență de întrerupere de până la 10 GHz și o reducere de 70% a rezistenței (RDS (ON)). După ce a utilizat SIC SBD pe o anumită sarcină utilă prin satelit, a rămas stabilă la o temperatură ridicată de 200 de grade și a redus consumul de energie cu 60%.
Inovație structurală: Tehnologia Super Junction omogenizează distribuția câmpului electric prin aranjarea alternativă a coloanelor P/N, reducând VF de 600V SIC SBD de la 1,7V la 1.1V. Structura MOSFET a șanțului reduce rezistența de la 2m Ω · cm ² în structurile plane tradiționale la 0,5m Ω · cm ².
Descoperirea procesului: Utilizarea tehnologiei de implantare ionică permite un control precis al concentrației de dopaj, reducând sarcina de recuperare inversă (QRR) de la 50NC la 5NC. Un anumit producător de module optice a scurtat timpul de răspuns al diodelor pin de 10 Gbps la 30ps prin optimizarea grosimii stratului epitaxial.
(2) Proiectarea nivelului circuitului
Tehnologie de rectificare sincronă: prin înlocuirea diodelor tradiționale cu N - tip MOSFET -uri, eficiența surselor de alimentare de comunicare de 48V a fost îmbunătățită de la 85% la 94%. După ce a adoptat această tehnologie, un anumit centru de date a obținut o economie anuală de energie de 1,2 milioane kWh.
Topologie de comutare moale: Convertorul rezonant LLC atinge comutarea zero de tensiune (ZVS) prin curent rezonant, reducând tensiunea de tensiune a diodei cu 40%. Într -o sursă de energie de comunicare de 5kW, această topologie atinge o descoperire de eficiență de 96% și reduce creșterea temperaturii cu 15 grade.
Optimizarea aspectului: Tehnologia de ambalare 3D este utilizată pentru a integra vertical diodele cu jetoanele de șofer, reducând inductanța parazitară de la 3NH la 0,5NH. O anumită stație de bază mică de bază optimizată de PCB optimizată pentru a reduce inductanța buclelor de diodă de la 10nH la 2NH, reducând pierderile de comutator cu 65%.
(3) Managementul termic la nivel de sistem
Material de schimbare de fază (PCM): încorporat cu PCM pe bază de parafină în ambalajul diodelor, folosind căldura latentă a topirii (200-250J/g) pentru a absorbi căldura maximă. Experimentele au arătat că PCM poate reduce amplitudinea fluctuațiilor de temperatură a joncțiunii cu 40% la o densitate a fluxului de căldură de 10W/cm ².
Răcire pentru microcanel: chiuvete de căldură pe bază de siliciu sunt utilizate în modulul AAU al stației de bază, cu un canal de răcire a apei lățime de doar 50 μm și un coeficient de transfer de căldură convectiv de 10 ^ 4W/(M ² · K). Un anumit test al operatorului arată că această tehnologie reduce creșterea temperaturii diodelor de la 65 de grade la 38 de grade.
Algoritmul de control al temperaturii inteligente: prin monitorizarea modificărilor diodei VF în timp real (VF scade cu aproximativ 2mV pentru fiecare creștere a temperaturii de 1 grad), ajustând dinamic frecvența de comutare și ciclul de serviciu. După adoptarea acestui algoritm, un anumit dispozitiv de transmisie optică poate controla fluctuația puterii de ieșire în ± 0,5dB într -un mediu de -40 grad până la gradul +85.
4, cazuri de practică a industriei
Huawei a adoptat o schemă de sinteză a puterii folosind gan hemt împerecheat cu SIC SBD în proiectarea antenelor MIMO masive de 5G, care a crescut puterea de ieșire cu un singur canal de la 40W la 64W, cu o eficiență de 48%. ZTE Corporation aplică tehnologia de rectificare sincronă MOSFET în tranșee în modulele de transmisie optică, reducând consumul de energie de 200g de module optice de la 24W la 18W. Ericsson integrează sistemele de răcire a microcanalului în sursele de alimentare a stației de bază, permițând densității puterii să depășească 1kW/L și temperatura de joncțiune a diodei pentru a rămâne stabilă sub 85 de grade.