संचार सर्किट में डायोड की हीटिंग समस्या को कैसे हल करें?

1, संचार परिदृश्यों में डायोड का हीटिंग तंत्र
संचार सर्किट की विशिष्टता डायोड हीटिंग की तीन मुख्य विशेषताओं की ओर ले जाती है: उच्च - आवृत्ति स्विचिंग हानि, रिवर्स रिकवरी लॉस और परजीवी पैरामीटर हानि। 5 जी बेस स्टेशन पीए मॉड्यूल को एक उदाहरण के रूप में लेते हुए, इसकी परिचालन आवृत्ति 4GHz से अधिक हो गई है, और डायोड को नैनोसेकंड के भीतर चालन कटऑफ स्विचिंग को पूरा करने की आवश्यकता है। इस बिंदु पर, हालांकि पारंपरिक फास्ट रिकवरी डायोड (FRDs) के रिवर्स रिकवरी टाइम (TRR) को 20 - 50Ns के लिए अनुकूलित किया गया है, महत्वपूर्ण नुकसान अभी भी उच्च-आवृत्ति स्विचिंग के तहत होते हैं। जूल के नियम के अनुसार, जब स्विचिंग आवृत्ति 1MHz से 10MHz तक बढ़ जाती है, तो डायोड का स्विचिंग नुकसान तेजी से बढ़ेगा।
रिवर्स रिकवरी लॉस एक और प्रमुख गर्मी स्रोत है। जब डायोड कंडक्टिंग स्टेट से कटऑफ स्टेट में स्विच करता है, तो पीएन जंक्शन में संग्रहीत अल्पसंख्यक वाहक को पुनर्संयोजन या निष्कर्षण के माध्यम से समाप्त करने की आवश्यकता होती है, और इस प्रक्रिया द्वारा गठित रिवर्स रिकवरी करंट (आईआरआर) 1.5 - 3 बार आगे की धारा तक पहुंच सकता है। संचार बिजली की आपूर्ति के DC-DC रूपांतरण सर्किट में, यदि TRR =35 ns और ir =2 के साथ एक तेजी से रिकवरी डायोड का चयन किया जाता है, तो एक ट्यूब का रिवर्स रिकवरी लॉस 1MHz की स्विचिंग आवृत्ति पर 0.7W तक पहुंच सकता है, सीधे जंक्शन तापमान में वृद्धि के लिए अग्रणी है।
परजीवी पैरामीटर हानि पैक्ड इंडक्शन (LPAR) और लीड रेजिस्टेंस (RLEAD) से उत्पन्न होती है। मिलीमीटर वेव कम्युनिकेशन (24-100GHz) परिदृश्यों में, 0.5NH का एक परजीवी प्रेरण 5V का ओवरशूट वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है, जब 10A का वर्तमान परिवर्तन होता है, जिससे अतिरिक्त बिजली की खपत होती है। एक निश्चित उपग्रह संचार उपकरण एक बार एक अनियंत्रित डायोड लीड प्रतिरोध के कारण मॉड्यूल थर्मल विफलता का अनुभव करते थे, जिसके परिणामस्वरूप एकल ट्यूब बिजली की खपत में 0.3W की वृद्धि हुई।
2, संचार सर्किट की विशेष चुनौतियां
संचार उपकरण डायोड पर चार सख्त आवश्यकताओं को लागू करता है:
उच्च आवृत्ति संगतता: 5 जी बेस स्टेशनों को 0.3-6GHz आवृत्ति बैंड का समर्थन करने के लिए घटकों की आवश्यकता होती है, और पारंपरिक सी डायोड की कटऑफ आवृत्ति (एफटी) केवल 100-300MHz है, जो आवश्यकताओं को पूरा करना मुश्किल है।
कम हानि विशेषता: ऑप्टिकल संचार मॉड्यूल को सिग्नल क्षीणन को कम करने के लिए 0.3V से कम के डायोड चालन वोल्टेज ड्रॉप (VF) की आवश्यकता होती है।
उच्च विश्वसनीयता मानक: एयरोस्पेस संचार को 10 ^ -9/h से कम की विफलता दर (फिट) के साथ -55 डिग्री के तापमान सीमा के भीतर +125 डिग्री के तापमान सीमा के भीतर घटक की आवश्यकता होती है।
लघुकरण आवश्यकता: चरणबद्ध सरणी रडार के टी/आर मॉड्यूल को सैकड़ों डायोड को एकीकृत करने की आवश्यकता होती है, और एकल घटक के आकार को 0.5 मिमी × 0.5 मिमी के भीतर नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है।
एक निश्चित बेस स्टेशन निर्माता ने एक बार पावर सिंथेसिस के लिए पारंपरिक शोट्की डायोड (एसबीडी) का उपयोग किया था, लेकिन डिवाइस ट्र्र =10 एनएस के कारण, दक्षता में 5%की कमी आई। आखिरकार, उन्होंने अल्ट्राफास्ट रिकवरी डायोड (UFRDS) के साथ GAN हेम्स में स्विच किया, जिससे सिस्टम दक्षता बढ़कर 92%हो गई।
3, व्यवस्थित समाधान
(1) डिवाइस स्तर अनुकूलन
सामग्री नवाचार: तीसरा - पीढ़ी अर्धचालक सामग्री (GAN, SIC) ने महत्वपूर्ण लाभ दिखाए हैं। GAN डायोड की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता SI का 5 गुना है, जिसमें 10GHz तक की कटऑफ आवृत्ति और ON RDUS (RDS (ON)) में 70% की कमी है। एक निश्चित उपग्रह पेलोड पर SIC SBD का उपयोग करने के बाद, यह 200 डिग्री के उच्च तापमान पर स्थिर रहा और बिजली की खपत को 60%तक कम कर दिया।
संरचनात्मक नवाचार: सुपर जंक्शन प्रौद्योगिकी वैकल्पिक रूप से पी/एन कॉलम की व्यवस्था करके विद्युत क्षेत्र वितरण को समरूप करता है, 600 वी एसआईसी एसबीडी के वीएफ को 1.7 वी से 1.1 वी तक कम करता है। ट्रेंच MOSFET संरचना पारंपरिक प्लानर संरचनाओं में 0.5m ω · cm of से 2m of · cm of से प्रतिरोध को कम करती है।
प्रोसेस ब्रेकथ्रू: आयन इम्प्लांटेशन टेक्नोलॉजी का उपयोग डोपिंग एकाग्रता के सटीक नियंत्रण को सक्षम करता है, रिवर्स रिकवरी चार्ज (क्यूआरआर) को 50NC से 5NC तक कम करता है। एक निश्चित ऑप्टिकल मॉड्यूल निर्माता ने एपिटैक्सियल परत की मोटाई को अनुकूलित करके 10Gbps पिन डायोड के प्रतिक्रिया समय को 30ps तक छोटा कर दिया है।
(२) सर्किट स्तर डिजाइन
सिंक्रोनस रेक्टिफिकेशन टेक्नोलॉजी: पारंपरिक डायोड को n - टाइप MOSFETs के साथ बदलकर, 48V संचार बिजली की आपूर्ति की दक्षता को 85% से 94% तक सुधार दिया गया है। इस तकनीक को अपनाने के बाद, एक निश्चित डेटा सेंटर ने 1.2 मिलियन kWh की वार्षिक बिजली बचत प्राप्त की।
सॉफ्ट स्विचिंग टोपोलॉजी: एलएलसी गुंजयमान कनवर्टर गुंजयमान वर्तमान के माध्यम से शून्य वोल्टेज स्विचिंग (ZVS) प्राप्त करता है, डायोड वोल्टेज तनाव को 40%तक कम करता है। 5KW संचार बिजली की आपूर्ति में, यह टोपोलॉजी 96% की दक्षता सफलता प्राप्त करती है और तापमान में वृद्धि को 15 डिग्री तक कम करती है।
लेआउट अनुकूलन: 3 डी पैकेजिंग तकनीक का उपयोग ड्राइवर चिप्स के साथ डायोड को एकीकृत करने के लिए किया जाता है, जो 3NH से 0.5NH से परजीवी इंडक्शन को कम करता है। एक निश्चित 5g छोटे बेस स्टेशन ने पीसीबी रूटिंग को 10NH से 2NH से डायोड लूप इंडक्शन को कम करने के लिए अनुकूलित किया, जिससे स्विच लॉस को 65%तक कम कर दिया गया।
(3) सिस्टम स्तर थर्मल प्रबंधन
चरण परिवर्तन सामग्री (पीसीएम): डायोड पैकेजिंग में पैराफिन आधारित पीसीएम के साथ एम्बेडेड, पीक हीट को अवशोषित करने के लिए पिघलने (200-250j/g) की अपनी अव्यक्त गर्मी का उपयोग करना। प्रयोगों से पता चला है कि पीसीएम 10W/सेमी of की गर्मी प्रवाह घनत्व पर जंक्शन तापमान में उतार -चढ़ाव के आयाम को 40% तक कम कर सकता है।
माइक्रोचैनल कूलिंग: सिलिकॉन आधारित माइक्रोचैनल हीट सिंक का उपयोग बेस स्टेशन के एएयू मॉड्यूल में किया जाता है, जिसमें केवल 50 μ मीटर की पानी के शीतलन चैनल की चौड़ाई और 10 ^ 4w/(m k · k) का एक संवहन ताप हस्तांतरण गुणांक होता है। एक निश्चित ऑपरेटर के वास्तविक परीक्षण से पता चलता है कि यह तकनीक डायोड के तापमान वृद्धि को 65 डिग्री से 38 डिग्री तक कम कर देती है।
बुद्धिमान तापमान नियंत्रण एल्गोरिथ्म: वास्तविक समय में डायोड VF में परिवर्तन की निगरानी करके (VF तापमान में प्रत्येक 1 डिग्री में वृद्धि के लिए लगभग 2MV घटता है), गतिशील रूप से स्विचिंग आवृत्ति और कर्तव्य चक्र को समायोजित करता है। इस एल्गोरिथ्म को अपनाने के बाद, एक निश्चित ऑप्टिकल ट्रांसमिशन डिवाइस -40 डिग्री के वातावरण में +85 डिग्री के वातावरण में ± 0.5DB के भीतर आउटपुट पावर उतार -चढ़ाव को नियंत्रित कर सकता है।
4, उद्योग अभ्यास के मामले
Huawei ने 5g बड़े पैमाने पर MIMO एंटेना के डिजाइन में SIC SBD के साथ जोड़ी गई GAN HEMT का उपयोग करके एक पावर सिंथेसिस योजना को अपनाया है, जिसने 48%की दक्षता के साथ एकल चैनल आउटपुट पावर को 40W से 64W तक बढ़ा दिया है। ZTE Corporation ऑप्टिकल ट्रांसमिशन मॉड्यूल में ट्रेंच MOSFET सिंक्रोनस रेक्टिफिकेशन तकनीक को लागू करता है, जिससे 200g ऑप्टिकल मॉड्यूल की बिजली की खपत 24W से 18W तक कम हो जाती है। एरिक्सन बेस स्टेशन बिजली की आपूर्ति में माइक्रोचैनल कूलिंग सिस्टम को एकीकृत करता है, जिससे बिजली घनत्व 1kW/L और डायोड जंक्शन तापमान से अधिक हो सकता है जो 85 डिग्री से नीचे स्थिर रहता है।