İletişim devrelerinde diyotların ısıtma problemi nasıl çözülür?

1, iletişim senaryolarında diyotların ısıtma mekanizması
İletişim devrelerinin özelliği, diyot ısıtmasının üç ana özelliğine yol açar: yüksek - frekans anahtarlama kaybı, ters kurtarma kaybı ve parazitik parametre kaybı. 5G baz istasyonu PA modülünü örnek olarak alarak, çalışma frekansı 4GHz'i aştı ve diyotun nanosaniye içindeki iletim kesim anahtarını tamamlaması gerekiyor. Bu noktada, geleneksel hızlı geri kazanım diyotlarının (FRD'ler) ters iyileştirme süresi (TRR) 20 - 50n'lere optimize edilmiş olsa da, yüksek frekanslı anahtarlama altında hala önemli kayıplar meydana gelir. Joule yasasına göre, anahtarlama frekansı 1MHz'den 10MHz'e yükseldiğinde, diyotun anahtarlama kaybı katlanarak artacaktır.
Ters iyileşme kaybı bir başka önemli ısı kaynağıdır. Diyot, iletken durumdan kesme durumuna geçtiğinde, PN kavşağında depolanan azınlık taşıyıcılarının rekombinasyon veya ekstraksiyon yoluyla ortadan kaldırılması gerekir ve bu işlemin oluşturduğu ters geri kazanım akımı (IRR) ileri akımın 3 katına ulaşabilir. DC-DC iletişim güç kaynağının DC-DC dönüşüm devresinde, TRR =35 ns ve Irr =2 A ile hızlı bir kurtarma diyotu seçilirse, tek bir tüpün ters geri kazanım kaybı, 1MHz anahtarlama frekansında 0.7W'ye ulaşabilir ve doğrudan kavşak sıcaklığında bir artışa yol açabilir.
Parazitik parametre kaybı, paketlenmiş endüktans (LPAR) ve kurşun direncinden (RLEAD) kaynaklanır. Millimetre dalga iletişimi (24-100GHz) senaryolarında, 0.5nh'lik bir parazitik endüktans, 10A değiştiğinde 5V'lik bir aşma voltajı üretebilir ve bu da ek güç tüketimine neden olur. Belirli bir uydu iletişim ekipmanı bir zamanlar optimize edilmemiş bir diyot kurşun direncinden dolayı modül termal arızası yaşadı, bu da tek tüp güç tüketiminde 0.3W'lik bir artışa neden oldu.
2, iletişim devrelerinin özel zorlukları
İletişim ekipmanı, diyotlara dört katı gereklilik getirir:
Yüksek frekans uyumluluğu: 5G baz istasyonları, 0.3-6GHz frekans bandını desteklemek için bileşenler gerektirir ve geleneksel Si diyotlarının kesme frekansı (ft) sadece 100-300MHz'dir, bu da gereksinimleri karşılaması zordur.
Düşük kayıp karakteristiği: Optik iletişim modülü, sinyal zayıflamasını azaltmak için 0.3V'den az diyot iletim voltaj düşüşü (VF) gerektirir.
Yüksek Güvenilirlik Standardı: Havacılık ve uzay iletişimi, bileşenlerin 10 ^ -9/s'den az bir arıza oranı (FIT) ile +125 derecesine kadar -55 derecelik bir sıcaklık aralığında stabil bir şekilde çalışmasını gerektirir.
Minyatürizasyon Gereksinimi: Aşamalı dizi radarının T/R modülünün yüzlerce diyotun entegre edilmesi gerekir ve tek bir bileşenin boyutunun 0,5 mm × 0.5mm içinde kontrol edilmesi gerekir.
Belirli bir baz istasyonu üreticisi bir zamanlar güç sentezi için geleneksel Schottky diyotları (SBD'ler) kullandı, ancak TRR =10 ns cihazı nedeniyle verimlilik%5 azaldı. Sonunda, sistem verimliliğini%92'ye yükselten ultra hızlı geri kazanım diyotları (UFRD'ler) ile Gan Hemts'e geçtiler.
3, sistematik çözüm
(1) Cihaz seviyesi optimizasyonu
Malzeme İnovasyonu: Üçüncü - Nesil Yarıiletken Malzemeleri (GAN, SIC) önemli avantajlar göstermiştir. Gan diyotlarının elektron hareketliliği, 10GHz'e kadar kesme frekansı ve dirençte% 70 azalma (RDS (ON)) ile Si'nin 5 katıdır. SIC SBD'yi belirli bir uydu yükünde kullandıktan sonra, 200 derecelik yüksek bir sıcaklıkta sabit kaldı ve güç tüketimini%60 azalttı.
Yapısal İnovasyon: Süper Kavşak Teknolojisi, 600V SIC SBD VF'sini 1.7V'den 1.1V'a düşürerek, P/N sütunlarını sırasıyla elektrik alan dağılımını homojenleştirir. Hendek MOSFET yapısı, Geleneksel düzlemsel yapılarda 2m ω · cm ²'den 0.5m Ω · cm ²'ye kadar dirençleri azaltır.
Proses atılımı: İyon implantasyon teknolojisinin kullanımı, doping konsantrasyonunun hassas kontrolünü sağlar ve ters kurtarma yükünü (QRR) 50NC'den 5NC'ye düşürür. Belirli bir optik modül üreticisi, epitaksiyal tabakanın kalınlığını optimize ederek 10Gbps pin diyotlarının tepki süresini 30PS'ye kısalttı.
(2) Devre seviyesi tasarımı
Senkron Doğrulama Teknolojisi: Geleneksel diyotları N - tip MOSFET'lerle değiştirerek, 48V iletişim güç kaynaklarının verimliliği% 85'ten% 94'e yükseltilmiştir. Bu teknolojiyi benimsedikten sonra, belirli bir veri merkezi yıllık 1,2 milyon kWh güç tasarrufu sağladı.
Yumuşak anahtarlama topolojisi: LLC rezonant dönüştürücü, rezonant akımı yoluyla sıfır voltaj anahtarlaması (ZVS) elde ederek diyot voltaj stresini%40 azaltır. 5kW'lık bir iletişim güç kaynağında, bu topoloji% 96'lık bir verimlilik atılımına ulaşır ve sıcaklık artışını 15 derece azaltır.
Düzen Optimizasyonu: 3D ambalaj teknolojisi, diyotları sürücü yongaları ile dikey olarak entegre etmek için kullanılır ve parazitik endüktansı 3nh'dan 0.5nh'ye düşürür. Diyot döngüsü endüktansını 10n'dan 2nh'a azaltmak için belirli bir 5G küçük baz istasyonu optimize edilmiş PCB yönlendirmesi, anahtar kayıplarını%65 azaltır.
(3) Sistem seviyesi termal yönetimi
Faz Değişikliği Malzemesi (PCM): Diyot ambalajında ​​parafin bazlı PCM ile gömülü, pik ısıyı emmek için gizli erime ısısını (200-250J/g) kullanır. Deneyler, PCM'nin 10W/cm ²'lik bir ısı akısı yoğunluğunda bağlantı sıcaklığı dalgalanmalarının genliğini% 40 azaltabileceğini göstermiştir.
Mikrokanal Soğutma: Silikon bazlı mikrokanal ısı lavaboları, baz istasyonunun AAU modülünde, sadece 50 μ m'lik bir su soğutma kanalı genişliği ve 10 ^ 4W/(m ² · k) konvektif ısı transfer katsayısı ile kullanılır. Belirli bir operatörün gerçek testi, bu teknolojinin diyotların sıcaklık artışını 65 dereceden 38 dereceye düşürdüğünü göstermektedir.
Akıllı Sıcaklık Kontrol Algoritması: Diyot VF'deki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak izleyerek (VF, sıcaklıktaki her 1 derece artış için yaklaşık 2mv azalır), anahtarlama frekansını ve görev döngüsünü dinamik olarak ayarlar. Bu algoritmayı benimsedikten sonra, belirli bir optik iletim cihazı, ± 0.5dB içindeki çıkış gücü dalgalanmasını -40 derecelik bir ortamda +85 derecesi kontrol edebilir.
4, endüstri uygulama vakaları
Huawei, tek kanal çıkış gücünü%48'lik bir verimle 40W'dan 64W'ye çıkaran 5G büyük Mimo anten tasarımında SIC SBD ile eşleştirilmiş Gan Hemt kullanarak bir güç sentez şeması benimsedi. ZTE Corporation, optik iletim modüllerinde hendek mosfet senkron düzeltme teknolojisini uygular ve 200g optik modüllerin güç tüketimini 24W'dan 18W'ye düşürür. Ericsson, mikrokanal soğutma sistemlerini baz istasyonu güç kaynaklarına entegre ederek güç yoğunluğunun 1kW/L ve diyot kavşak sıcaklığının 85 derecenin altında sabit kalmasını sağlayabilmesini sağlar.