통신 회로에서 다이오드의 가열 문제를 해결하는 방법은 무엇입니까?

1, 통신 시나리오에서 다이오드의 가열 메커니즘
통신 회로의 특수성은 다이오드 가열의 세 가지 주요 특성, 즉 고주파 스위칭 손실, 역 복구 손실 및 기생 매개 변수 손실로 이어집니다. 5G베이스 스테이션 PA 모듈을 예로 들어 보면 작동 주파수는 4GHz를 초과했으며 다이오드는 나노 초 내에서 전도 컷오프 스위칭을 완료해야합니다. 이 시점에서, 전통적인 빠른 회복 다이오드 (FRD)의 역 복구 시간 (TRR)이 20-50ns로 최적화되었지만, 고주파 전환에서도 상당한 손실이 여전히 발생합니다. Joule의 법칙에 따르면, 스위칭 주파수가 1MHz에서 10MHz로 증가하면 다이오드의 스위칭 손실이 기하 급수적으로 증가합니다.
역 회복 손실은 또 다른 주요 열원입니다. 다이오드가 전도 상태에서 컷오프 상태로 전환 할 때, PN 접합부에 저장된 소수의 운반체는 재조합 또는 추출을 통해 제거되어야하며,이 공정에 의해 형성된 역 복구 전류 (IRR)는 전방 전류의 1.5-3 배에 도달 할 수있다. 통신 전원 공급 장치의 DC-DC 변환 회로에서 TRR =35 NS 및 IRR =2 A를 갖는 빠른 복구 다이오드가 선택되면 단일 튜브의 역 복구 손실은 1mHz의 스위칭 주파수에서 0.7W에 도달 할 수 있으며 직접 접합 온도의 증가를 초래할 수 있습니다.
기생 매개 변수 손실은 패키지 인덕턴스 (LPA) 및 리드 저항 (RLEAD)에서 비롯됩니다. 밀리미터 파동 통신 (24-100GHz) 시나리오에서, 0.5NH의 기생 인덕턴스는 10A의 전류가 변경 될 때 5V의 오버 슈트 전압을 생성하여 추가 전력 소비를 유발할 수 있습니다. 특정 위성 통신 장비는 한때 최적화되지 않은 다이오드 리드 저항으로 인해 모듈 열전을 경험하여 단일 튜브 전력 소비에서 0.3W가 증가했습니다.
2, 커뮤니케이션 회로의 특별한 도전
커뮤니케이션 장비는 다이오드에 대한 네 가지 엄격한 요구 사항을 부과합니다.
고주파 호환성 : 5G 기지국은 0.3-6GHz 주파수 대역을 지원하기 위해 구성 요소가 필요하며 전통적인 Si 다이오드의 컷오프 주파수 (FT)는 100-300MHz에 불과하므로 요구 사항을 충족하기가 어렵습니다.
낮은 손실 특성 : 광 통신 모듈은 신호 감쇠를 줄이기 위해 0.3V 미만의 다이오드 전도 전압 강하 (VF)가 필요합니다.
높은 신뢰성 표준 : 항공 우주 통신은 구성 요소가 -55도에서 +125 정도의 온도 범위 내에서 10 ^ -9/h 미만의 실패율 (적합) 내에서 안정적으로 작동해야합니다.
소형화 요구 사항 : 단계적 배열 레이더의 T/R 모듈은 수백 개의 다이오드를 통합해야하며 단일 구성 요소의 크기는 0.5mm × 0.5mm 이내에 제어해야합니다.
특정 기지국 제조업체는 한때 전력 합성을 위해 전통적인 Schottky Diodes (SBD)를 사용했지만 장치 TRR =10 NS로 인해 효율은 5%감소했습니다. 결국, 그들은 UFRD (Ultrafast Recovery Diodes)로 Gan Hemts로 전환하여 시스템 효율을 92%로 증가시켰다.
3, 체계적인 솔루션
(1) 장치 수준 최적화
재료 혁신 : 3 세대 반도체 재료 (GAN, SIC)는 상당한 이점을 보여 주었다. GAN 다이오드의 전자 이동성은 SI의 5 배이며, 컷오프 주파수는 최대 10GHz이고 저항의 70% 감소 (RDS (ON)). 특정 위성 페이로드에서 SIC SBD를 사용한 후 200 도의 고온에서 안정적으로 유지되었으며 전력 소비를 60%감소 시켰습니다.
구조 혁신 : Super Junction Technology는 P/N 열을 교대로 배열하여 전기장 분포를 균질화하여 600V SIC SBD의 VF를 1.7V에서 1.1V로 줄입니다. 트렌치 MOSFET 구조는 전통적인 평면 구조에서 2M Ω · cm ²에서 ON 저항을 0.5m Ω · cm ²로 감소시킵니다.
공정 혁신 : 이온 임플란트 기술의 사용은 도핑 농도의 정확한 제어를 가능하게하여 리버스 복구 전하 (QRR)를 50NC에서 5NC로 줄입니다. 특정 광학 모듈 제조업체는 에피 택셜 층의 두께를 최적화하여 10Gbps 핀 다이오드의 응답 시간을 30ps로 단축했습니다.
(2) 회로 수준 설계
동기 정류 기술 : 전통적인 다이오드를 N 형 MOSFET으로 대체함으로써 48V 통신 전원 공급 장치의 효율은 85%에서 94%로 향상되었습니다. 이 기술을 채택한 후 특정 데이터 센터는 연간 전력 절약을 120 만 kWh로 달성했습니다.
소프트 스위칭 토폴로지 : LLC 공진 변환기는 공진 전류를 통해 전압 전환 (ZV)을 달성하여 다이오드 전압 응력을 40%감소시킵니다. 5kW 통신 전원 공급 장치 에서이 토폴로지는 96%의 효율성 혁신을 달성하고 온도 상승을 15도 감소시킵니다.
레이아웃 최적화 : 3D 포장 기술은 다이오드를 운전자 칩과 수직으로 통합하여 기생 인덕턴스를 3NH에서 0.5NH로 줄입니다. 특정 5G 소규모 기지국은 다이오드 루프 인덕턴스를 10NH에서 2NH로 줄이기 위해 PCB 라우팅을 최적화하여 스위치 손실을 65%감소시킵니다.
(3) 시스템 수준 열 관리
위상 변화 재료 (PCM) : 다이오드 포장에 파라핀 기반 PCM이 포함되어 있으며, 잠열 용융 열 (200-250j/g)을 사용하여 피크 열을 흡수합니다. 실험에 따르면 PCM은 10W/cm ²의 열유속 밀도에서 접합 온도 변동의 진폭을 40% 감소시킬 수 있습니다.
마이크로 채널 냉각 : 실리콘 기반 마이크로 채널 방열판은 기지국의 AAU 모듈에서 사용되며, 수냉식 채널 폭은 50 μm이고 대류 열전달 계수는 10 ^ 4W/(m ² · k)입니다. 특정 운영자의 실제 테스트에 따르면이 기술은 다이오드의 온도 상승을 65도에서 38 도로 줄입니다.
지능형 온도 제어 알고리즘 : 다이오드 VF의 변화를 실시간으로 모니터링함으로써 (VF는 온도가 1도 증가 할 때마다 약 2MV 감소) 스위칭 주파수 및 듀티 사이클을 동적으로 조정합니다. 이 알고리즘을 채택한 후, 특정 광 전송 장치는 -40도에서 +85 정도의 환경에서 ± 0.5dB 내의 출력 전력 변동을 제어 할 수 있습니다.
4, 업계 실무 사례
화웨이는 5G 대규모 MIMO 안테나 설계에서 SIC SBD와 짝을 이루는 GAN HEMT를 사용하여 전력 합성 체계를 채택했으며, 이는 단일 채널 출력 전력을 48%의 효율로 40W에서 64W로 증가시켰다. ZTE Corporation은 광학 변속기 모듈에 트렌치 MOSFET 동기 정류 기술을 적용하여 200G 광학 모듈의 전력 소비를 24W에서 18W로 줄입니다. Ericsson은베이스 스테이션 전원 공급 장치의 마이크로 채널 냉각 시스템을 통합하여 전력 밀도가 1kw/L 및 다이오드 접합 온도를 85도 미만으로 안정 상태로 유지할 수 있도록합니다.