Kuinka ratkaista diodien lämmitysongelma viestintäpiireissä?

1, diodien lämmitysmekanismi viestinnän skenaarioissa
Viestintäpiirejen erityisyys johtaa diodin lämmityksen kolmeen pääominaisuuteen: korkea - taajuuden kytkentähäviö, käänteisen talteenottohäviö ja loisparametrin menetys. Kun otetaan esimerkki 5G: n tukiaseman PA -moduulista, sen käyttötaajuus on ylittänyt 4 GHz, ja diodin on suoritettava johtavuuden katkaisukytkin nanosekunnissa. Tässä vaiheessa, vaikka perinteisten nopean palautumis diodien (FRD) käänteinen palautumisaika (TRR) on optimoitu 20 - 50N: iin, merkittäviä tappioita tapahtuu edelleen korkean taajuuden kytkimessä. Joulen lain mukaan, kun kytkentätaajuus kasvaa 1MHz: stä 10MHz: iin, diodin kytkentähäviö kasvaa eksponentiaalisesti.
Käänteinen palautumishäviö on toinen merkittävä lämmönlähde. Kun diodi siirtyy johtavasta tilasta rajatilaan, PN -risteyksessä tallennetut vähemmistökantajat on eliminooitava rekombinaation tai uuttamisen avulla, ja tämän prosessin muodostama käänteisen talteenottovirta (IRR) voi saavuttaa 1,5 - 3 kertaa eteenpäin suuntautuvan virran. Virtavirtalähteen DC-DC-muuntopiirissä valitaan nopea palautus diodi, jossa on trr =35 ns ja IRR =2 a, yhden putken käänteisen talteenottohäviön käänteisen talteenottohäviön voi saavuttaa 0,7W kytkentätaajuudella 1MHz, mikä johtaa suoraan rikkoutumislämpötilan nousuun.
Parasiittiset parametrihäviöt ovat peräisin pakatusta induktanssista (LPAR) ja lyijynkestävyydestä (RLEAD). Millimetrin aaltoviestinnässä (24–100 GHz) skenaarioissa loisinduktanssi 0,5NH voi tuottaa 5V: n ylijännitteen, kun 10A: n virta muuttuu, aiheuttaen lisävoiman kulutusta. Tietyllä satelliittiviestinnän laitteilla on kerran kokenut moduulin lämpöhäiriöt, jotka johtuvat optimoimattomasta diodin lyijynkestävyydestä, mikä johtaa 0,3 W: n lisääntymiseen yhden putken virrankulutuksessa.
2, Viestinnän erityiset haasteet
Viestintälaitteet asettavat neljä tiukkaa vaatimusta diodeille:
Korkean taajuuden yhteensopivuus: 5G tukiasemat vaativat komponentteja 0,3-6 GHz: n taajuuskaistan 0,3-6 GHz
Matala häviöominaisuus: Optinen viestintämoduuli vaatii alle 0,3 V: n diodin johtavuusjännitteen pudotusta (VF) signaalin vaimennuksen vähentämiseksi.
Korkea luotettavuusstandardi: Ilmailualan viestintä vaatii komponenttien toiminnan vakaasti -55 asteen lämpötila -alueella +125 asteeseen, vikaantumisnopeus (sopivuus) on alle 10 ^ -9/H.
Miniatyrisointivaatimus: Vaiheen ryhmän tutkan T/R -moduuli on integroitava satoja diodeja, ja yhden komponentin kokoa on ohjattava 0,5 mm × 0,5 mm: n sisällä.
Tietty tukiaseman valmistaja käytti kerran perinteisiä Schottky -diodeja (SBDS) tehon synteesiin, mutta laitteen trr =10 ns: n takia tehokkuus laski 5%. Lopulta he vaihtoivat GaN Hemtsiin ultraopea palautumisdiadeilla (UFRDS), jotka lisäsivät järjestelmän tehokkuutta 92%: iin.
3, systemaattinen ratkaisu
(1) Laitetason optimointi
Materiaaliinnovaatio: Kolmas - sukupolven puolijohdemateriaalit (GAN, sic) ovat osoittaneet merkittäviä etuja. GaN -diodien elektronien liikkuvuus on 5 -kertainen Si: n liikuntarajataajuus jopa 10 GHz: iin ja 70%: n vähenemisellä vastustuskykyyn (RDS (ON)). Käytettyään SiC SBD: tä tietyllä satelliitin hyötykuormalla, se pysyi vakaana korkeassa lämpötilassa 200 astetta ja vähensi tehonkulutusta 60%.
Rakenteellinen innovaatio: Super -risteystekniikka homogenisoi sähkökentän jakautumista järjestämällä vuorotellen P/N -pylväät vähentämällä 600 V: n SIC SBD: n VF: n 1,7 V - 1,1 V. Trench MOSFET -rakenne vähentää vastustuskykyä 2M ω · cm ² perinteisissä tasomaisissa rakenteissa 0,5 m ω · cm ²: iin.
Prosessin läpimurto: ionin implantointitekniikan käyttö mahdollistaa seostokonsentraation tarkan hallinnan, vähentäen käänteisen talteenottovarauksen (QRR) 50NC: stä 5NC: hen. Tietyn optisen moduulin valmistaja on lyhentänyt 10 Gbps -nasta -diodien vasteaikaa optimoimalla epitaksiaalikerroksen paksuuden.
(2) Piiritason suunnittelu
Synkroninen korjaustekniikka: Korvaamalla perinteiset diodit n - -tyyppisellä MOSFET: llä, 48 V: n viestintävirtalähteiden tehokkuus on parannettu 85%: sta 94%: iin. Tämän tekniikan käyttöönoton jälkeen tietty tietokeskus saavutti vuotuisen virransäästöä 1,2 miljoonaa kWh.
Pehmeä kytkentätopologia: LLC -resonanssimuunnin saavuttaa nollajännitekytkimen (ZVS) resonanssivirran kautta, vähentäen diodin jännitestressiä 40%. 5 kW: n viestinnän virtalähteessä tämä topologia saavuttaa tehokkuuden läpimurron 96% ja vähentää lämpötilan nousua 15 asteessa.
Asettelun optimointi: 3D -pakkaustekniikkaa käytetään integroimaan diodit pystysuunnassa kuljettajan sirujen kanssa vähentämällä loisten induktanssia 3NH: sta 0,5NH: iin. Tietyn 5G: n pieni tukiasema optimoi piirilevyn reititys diodin silmukan induktanssin vähentämiseksi 10NH: sta 2NH: seen, vähentäen kytkinhäviöitä 65%.
(3) Järjestelmätason lämpöhallinta
Vaihemuutosmateriaali (PCM): upotettu parafiinipohjaisella PCM: llä diodipakkauksissa hyödyntäen sen piilevää sulamislämpöä (200-250J/g) huipun lämpöä. Kokeet ovat osoittaneet, että PCM voi vähentää liitoksen lämpötilan vaihtelun amplitudia 40% lämpövuon tiheydellä 10W/cm ².
Mikrokanava jäähdytys: Piilakenteiset mikrokanava -jäähdytyselementit käytetään tukiaseman AAU -moduulissa, vesijäähdytyskanavan leveys on vain 50 μm ja konvektiivisen lämmönsiirtokerroin 10 ^ 4W/(M ² · K). Tietyn operaattorin todellinen testi osoittaa, että tämä tekniikka vähentää diodien lämpötilan nousua 65 asteesta 38 asteeseen.
Älykäs lämpötilanhallintaalgoritmi: Seuraamalla diodin VF: n muutoksia reaaliajassa (VF pienenee noin 2MV jokaista lämpötilan nousua varten), säätäen dynaamisesti kytkentätaajuutta ja käyttöjaksoa. Tämän algoritmin käyttöönoton jälkeen tietty optinen lähetyslaite voi hallita lähtötehon vaihtelua ± 0,5db: n sisällä ympäristössä -40 astetta +85 asteeseen.
4, Teollisuuskäytäntötapaukset
Huawei on ottanut käyttöön tehon synteesijärjestelmän, jossa käytetään Gan Hemt -paria SIC SBD: n kanssa 5G: n massiivisten MIMO -antennien suunnittelussa, mikä on lisännyt yhden kanavan lähtötehoa 40W: stä 64W: iin tehokkuuden ollessa 48%. ZTE Corporation soveltaa kaivannon mosfet -synkronista tasasuuntaustekniikkaa optisissa siirtomoduuleissa vähentäen 200G: n optisten moduulien virrankulutusta 24W: stä 18W: iin. Ericsson integroi mikrokanavan jäähdytysjärjestelmät tukiaseman virtalähteisiin, mikä mahdollistaa tehotiheyden ylittämisen 1KW/L ja diodin liitäntälämpötilat pysymään vakaana alle 85 asteen.