انخفاض سقط الجهد الأمامي: رفع الكفاءة في مصادر الطاقة منخفضة الجهد

فيزياء توصيل حاجز شوتكي وانخفاض V _م

تعمل ديودات شوتكي بشكل مختلف لأنها تشكل وصلة بين المعدن والشبه موصل بدلًا من الوصلة p-n الاعتيادية الموجودة في الديودات العادية. وهذا يعني أنه لا حاجة إلى حقن حاملات الشحنة الأقلية، ما يلغي خسائر إعادة التوصيل في طبقة الاستنزاف التي نراها في الترتيبات التقليدية. والنتيجة؟ أن التوصيل يتم عبر حاملات الشحنة الأغلبية مع جهد حاجز أقل بكثير. فكّر في الأمر: حوالي ٠٫١٥ فولت إلى ٠٫٤٥ فولت، بينما تتطلب الديودات السيليكونية الاعتيادية جهدًا يتراوح بين ٠٫٧ فولت و١٫١ فولت. فالإلكترونات تتدفق مباشرةً من مادة الشبه موصل من النوع n إلى التلامس المعدني، وبالتالي لا يُهدر تقريبًا أي طاقة خلال هذه العملية. وعند النظر تحديدًا إلى مصادر الطاقة ذات الجهد ٥ فولت، يمكن لهذه الديودات شوتكي أن تخفض انخفاض الجهد الأمامي بنسبة تتراوح بين ٦٠٪ و٨٠٪ مقارنةً بالخيارات التقليدية. وهذا يُحدث فرقًا حقيقيًّا، إذ تميل خسائر التوصيل إلى أن تكون أكثر إشكاليةً عند التعامل مع الجهود المنخفضة والظروف التي تتطلب تيارات عالية.

المكاسب في الكفاءة المُقاسة: ٢–٥٪ في محولات التيار المستمر-التيار المستمر ٣,٣ فولت/٥ فولت

يؤكّد الاختبار المستقل لأجهزة التحويل المنخفض المتزامنة (synchronous buck converters) تحسّنًا متسقًّا في كفاءة النظام ككل عند استبدال ديودات شوتكي بمُستقيمات السيليكون. وأظهرت دراسات عديدة أُجريت عام ٢٠٢٣ على تصاميم صناعية وتصاميم من فئة الخوادم مكاسب تتراوح بين ٢٪ و٥٪— وهي أكثر وضوحًا عند مخرجات ٣,٣ فولت و٥ فولت، حيث تزداد خسائر التوصيل عكسيًّا مع انخفاض الجهد. وفي حالة تيار إخراج قدره ٢٠ أمبير، فإن النتائج النموذجية هي:

تنعكس هذه التحسينات مباشرةً في تخفيف عبء الإدارة الحرارية في التطبيقات ذات القيود الشديدة على المساحة— ومنها وحدات طاقة الخوادم، ووحدات التحكم الإلكتروني في السيارات (ECUs)، والإلكترونيات المحمولة— حيث يؤدي توفير كل واط إلى إطالة عمر البطارية بنسبة ١٥–٢٠٪، وفقًا لدراسات حالة ميدانية حديثة.

التبديل فائق السرعة: تمكين تصاميم مصادر الطاقة ذات التحويل التبديلي الصغيرة (SMPS) عالية التردد ومدمجة

عدم وجود تخزين للناقلات الأقلية، واستعادة الانعكاس في زمن أقل من نانوثانية

تختلف ديودات شوتكي عن الديودات العادية في طريقة عملها، لأنها تستخدم أثناء التوصيل حاملات الشحنة السائدة فقط. وبصورة عملية، فإن هذا يعني أنه لا توجد تأخيرات ناتجة عن تخزين حاملات الشحنة غير السائدة. وهذا بالضبط ما يُحدث الفارق الكبير عند التعامل مع تلك الذروات المزعجة للتيار أثناء الاسترجاع العكسي، والتي تُشكِّل عبئًا كبيرًا على ديودات الوصلات PN. وتنخفض زمن الاسترجاع العكسي هنا إلى أقلَّ بكثير من نانوثانية واحدة، مما يجعل هذه الديودات قادرةً على الانقطاع النظيف حتى عند التشغيل عند ترددات تصل إلى عدة ميغاهيرتز. فعلى سبيل المثال، في منظمات الخفض (Buck Regulators) التي تعمل في نطاق ترددي يبلغ حوالي ٥٠٠ كيلوهيرتز، نلاحظ انخفاضًا في خسائر التبديل يتراوح بين ٢٪ و٥٪ مقارنةً بالبدائل السيليكونية فائقة السرعة. وقد أكَّدت دراسةٌ نُشِرت العام الماضي في مجلة «إلكترونيات الطاقة الدولية» (Power Electronics International) هذه النتائج. وكل هذه التحسينات تنعكس في انخفاض التداخل الكهرومغناطيسي، وانخفاض درجة حرارة المكونات أثناء التشغيل، وزيادة كفاءة تعبئة الطاقة. وهذه المزايا تكتسب أهمية كبيرة في الحالات التي يكون فيها التحكم في الحرارة صعب التحقيق، أو عندما تتطلب قيود المساحة حلول طاقة مدمجة.

يدعم التشغيل بتردد يزيد عن ١ ميجاهرتز مع مراحل الطاقة المبنية على غاليوم نيتريد (GaN) وكربيد السيليكون (SiC)

الترانزستورات المصنوعة من نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) قادرة اليوم على التعامل مع الترددات التي تتجاوز 1 ميغاهيرتز بكثير. لكن ما يهم حقًا في أدائها هو سرعة عمل هذه المُصحِّحات. وقد تم قياس أوقات الاستعادة للمداخِل الشوتكي المستخدمة هنا، وبخاصة تلك القائمة على كربيد السيليكون، بوحدة جزء من النانوثانية. وهي تتزامن تقريبًا تمامًا مع نقاط التبديل الخاصة بأجهزة نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون. وعندما يحدث ذلك، فإنها توقف تلك الارتفاعات المفاجئة في الجهد التي تظهر عند تغيّر حالة الدوائر. ونلاحظ أن التداخل الكهرومغناطيسي ينخفض بنسبة تقارب 15 ديسيبل في التصاميم العاملة عند عدة ميغاهيرتز. وهناك فائدة إضافية أيضًا: فالتبديل الأسرع يعني محولات ومُحثَّات أصغر حجمًا. ويمكن أن تنخفض أبعاد هذه المكونات بنسبة تجاوز 60% مقارنةً بالنظم التقليدية العاملة عند 100 كيلوهيرتز. ولهذا السبب يعتمد المهندسون اعتمادًا كبيرًا على مداخِل الشوتكي في مصادر الطاقة المدمجة التي توفر أكثر من 1 كيلوواط في حجم صغير بما يكفي لتناسب رف الخوادم أو محطات شحن المركبات الكهربائية، مع الحفاظ في الوقت نفسه على أرقام كفاءة جيدة وتشغيلٍ موثوق.

التطبيقات الحرجة: التقويم والدوران الحر في وحدات إمداد الطاقة الحديثة (PSUs)

التقويم المتزامن، ووظائف الدوائر المُوصِّلة بالتوازي (OR-ing)، ودوائر التقييد (clamp)

تؤدي ديودات شوتكي ثلاث وظائف لا غنى عنها في وحدات إمداد الطاقة الحديثة (PSUs):

• تصحيح متزامن : على الجانب الثانوي لمُحوِّلات التيار المستمر-التيار المستمر (DC-DC)، فإن انخفاض الجهد الأمامي المنخفض (0.3–0.5 فولت) يُعيد استرداد الطاقة التي كانت ستضيع على هيئة حرارة — ما يرفع الكفاءة بنسبة تصل إلى ٤٪ في وحدات إمداد طاقة الخوادم ذات الجهد ٤٨ فولت.
• الدوائر المُوصِّلة بالتوازي (OR-ing) : وبفضل سرعة تشغيلها العالية، تعزل هذه الديودات مسارات الطاقة الأساسية والاحتياطية أثناء التحويل التلقائي (failover)، مما يمنع تدفق التيار العكسي الضار في الأنظمة ذات التكرار (redundant systems).
• دوائر التقييد (Clamp circuits) : وفي التصاميم ذات التغذية العكسية (flyback) والتصاميم الرنينية (resonant topologies)، تقوم ديودات شوتكي بإعادة توجيه التغيرات اللحظية الناتجة عن التشغيل خلال بضعة نانوثانية، لامتصاص طاقات الذروة بأمان بما يتجاوز ٢٠٠ ملي جول.

وبمجملها، تُمكِّن هذه الوظائف من تحقيق كفاءة تفوق ٩٤٪ في وحدات إمداد طاقة صغيرة الحجم وعالية الموثوقية، مع حمايتها في الوقت نفسه من أحداث فائض الجهد الكارثية.

مقايضات التصميم: الموازنة بين أداء ديودات شوتكي وقيودها

مقايضة التسرب العكسي مقابل الجهد الأمامي عند درجات الحرارة المرتفعة

ما يجعل هذه المكونات تحقق انخفاضًا كبيرًا في جهد التوصيل الأمامي (عادةً ما يتراوح بين ٠٫١٥ فولت و٠٫٤٥ فولت) يترتب عليه أيضًا عيبٌ مرتبطٌ بتيار التسرب العكسي (IR)، خاصةً عند درجات حرارة التشغيل المرتفعة. والسبب الرئيسي في ذلك هو الانبعاث الحراري الذي يحدث عند واجهة المعدن-أشباه الموصلات. ومع ارتفاع درجة حرارة الوصلة — مثلًا إلى نحو ١٢٥ درجة مئوية — نلاحظ قفزةً كبيرةً في تيار التسرب مقارنةً بالظروف السائدة في درجة حرارة الغرفة. وفي تلك المرحلة، قد يصل تيار التسرب إلى أكثر من ألف ضعف قيمته عند درجات الحرارة المحيطة الاعتيادية. أما جهد التوصيل الأمامي فيبقى مستقرًّا نسبيًّا، لذا يجب على المهندسين الانتباه جيدًا إلى أن هذا التسرب العكسي المتزايد قد يصبح المصدر الرئيسي لخسائر الطاقة في تصاميمهم. وإذا أُهمل هذا العامل، فقد يؤدي ذلك إلى مشكلات حرارية جسيمة في المدى الطويل. ولذلك، فإن أي شخص يعمل على أنظمة السيارات أو معدات الأتمتة الصناعية أو مراكز البيانات يجب أن يأخذ بعين الاعتبار كيفية تزايد هذا التسرب بشكل أسّي سواء أثناء عمليات المحاكاة الحاسوبية أو أثناء اختبار النماذج الأولية في الظروف الواقعية.

قيود تصنيف الجهد وممارسات خفض التصنيف المثلى

الدايودات شوتكي محدودة جوهريًّا من حيث أقصى جهد عكسي (V _RRM ) — وتبلغ سعة معظم الأجهزة التجارية أقل من ٢٠٠ فولت بسبب قيود ارتفاع الحاجز. ويؤدي تجاوز V _RRM إلى خطر انهيار الانهيار الذاتي وحدوث عطل لا رجعة فيه. ولذلك فإن خفض التصنيف الاستراتيجي إلزامي:

• الاستخدام الصناعي القياسي : اختر دايودات مُصنَّفة بزيادة لا تقل عن ٢٠٪ فوق أعلى جهد في النظام
• التطبيقات عالية الموثوقية (الطبية، والعسكرية، والفضائية): طبِّق هامش خفض التصنيف بنسبة ٤٠–٥٠٪
• الأنظمة ذات التغيرات العابرة الديناميكية : زوِّد الدائرة بمثبِّطات جهد عابرة (TVS) لمواجهة القمم العابرة التي تتجاوز مدتها ١٠٠ نانوثانية

إن التخفيض الحراري للقدرة يُعَدّ مسألة بالغة الأهمية أيضًا—V _RRM وتتراجع درجة تحمل الجهد مع اقتراب درجة حرارة الوصلة من ١٥٠°م. ويمنع النمذجة الدقيقة لمعامل درجة الحرارة أثناء تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) والتصميم الحراري حدوث انقطاع غير متوقع في مراحل القدرة المُركَّبة بكثافة.