Ниско напрежение в проводимо състояние: повишаване на ефективността в захранващи устройства с ниско напрежение

Физика на проводимостта през Шотки бариера и намалено V _F

Шотки диодите работят по различен начин, тъй като образуват метално-полупроводников възел вместо обичайния p-n възел, срещан в стандартните диоди. Това означава, че няма нужда от инжекция на миноритарни носители, което елиминира загубите поради рекомбинация в деплетираната област, наблюдавани в традиционните конфигурации. Резултатът? Проводимостта се осъществява от мнозинството носители при значително по-нисък потенциален бариер. Представете си: около 0,15 до 0,45 волта, докато стандартните кремниеви диоди изискват между 0,7 и 1,1 волта. Електроните просто преминават направо от n-тип полупроводниковия материал към металния контакт, така че почти никаква енергия не се губи по време на процеса. При конкретно разглеждане на захранващи източници с 5 волта тези Шотки диоди могат да намалят пада на напрежението в права посока с около 60 % до 80 % спрямо това, което се постига с конвенционалните решения. Това има реално значение, тъй като загубите при проводимост обикновено са най-проблематични при работа с ниско напрежение и високи токове.

Измерени подобрения в ефективността: 2–5 % при DC-DC преобразуватели 3,3 V/5 V

Независимо бенчмаркиране на синхронни понижаващи преобразуватели потвърждава последователни подобрения в ефективността на системно ниво, когато шотки диодите заместват кремниевите изправители. Множество проучвания от 2023 г. в промишлени и сървърни проекти показват подобрения от 2–5 % — особено забележими при изходни напрежения 3,3 V и 5 V, където загубите при провеждане нарастват обратнопропорционално на напрежението. При изходен ток 20 A типичните резултати са:

Тези подобрения директно облекчават термичното управление в приложения с ограничено пространство — включително модули за захранване на сървъри, автомобилни електронни контролни единици (ECU) и преносими електронни устройства — където всяка спестена ват-час продължава живота на батерията с 15–20 %, според последни практически случаи.

Ултрабързо превключване: Възможност за високочестотни и компактни SMPS проекти

Липса на носители от малцинството и обратно възстановяване под наносекунда

Шотки диодите работят по-различно от обикновените, защото при провеждането използват само носители от основния тип. Това означава практически, че няма забавяне поради натрупване, свързано с носителите от второстепенния тип. И това прави цялата разлика, когато става дума за онези досадни върхове на обратния възстановителен ток, които всъщност представляват сериозна главоболия за диодите с PN-преход. Времето за обратно възстановяване тук спада значително под 1 наносекунда, така че тези диоди могат да се изключват чисто дори при работа на няколко мегахерца. Например, при понижаващи регулатори, работещи в честотен диапазон около 500 kHz, наблюдаваме намаляване на загубите при превключване с около 2–5 % в сравнение с онези скъпи ултрабързи кремниеви алтернативи. Проучване, публикувано миналата година от списание „Power Electronics International“, потвърждава това. Всички тези подобрения се отразяват в намаляване на електромагнитните смущения, по-хладка работа на компонентите и по-добри възможности за компактно разположение на мощността. Тези предимства имат голямо значение в ситуации, при които управлението на топлината е сложно, или когато ограниченията по място изискват компактни решения за захранване.

Поддържа работа на честоти над 1 MHz с GaN и SiC силови стъпени

Транзисторите, изработени от галий-нитрид (GaN) и кремний-карбид (SiC), днес могат да работят на честоти, значително надвишаващи 1 MHz. Но това, което наистина има значение за тяхната производителност, е скоростта, с която работят тези изправители. Шотки диодите, които използваме тук — особено тези, базирани на кремний-карбид, — имат време на възстановяване, измервано в частици от наносекунда. Те се синхронизират почти идеално с моментите на превключване на устройствата на GaN и SiC. Когато това се случи, се предотвратяват онези досадни волтажни върхове, които възникват при превключване на състоянието на веригите. В проекти, работещи на няколко мегахерца, наблюдаваме намаляване на електромагнитните смущения с около 15 dB. Има и друго предимство: по-бързото превключване позволява използването на по-малки трансформатори и индуктори. Тези компоненти могат да се намалят с повече от 60 % в сравнение с традиционните системи, работещи на 100 kHz. Затова инженерите разчитат толкова силно на Шотки диодите за компактни блокове за захранване, които осигуряват мощност над 1 kW в така малък формат, че да поберат в стойка за сървъри или зарядна станция за електромобили, като при това запазват добри показатели за ефективност и надеждна работа.

Критични приложения: изправяне и свободно въртене в съвременните блокове за захранване

Синхронно изправяне, OR-ing и функции на ограничителните вериги

Шотки диодите изпълняват три незаменими функции в съвременните блокове за захранване (PSU):

• Синхронно изправяне : От вторичната страна на DC-DC преобразувателите техният нисък пад на напрежение в права посока (0,3–0,5 V) възстановява енергия, която иначе би била загубена като топлина — повишавайки ефективността до 4 % в блоковете за захранване за сървъри с 48 V.
• OR-ing : Бързото им превключване изолира основните и резервните захранващи шини по време на превключване, предотвратявайки разрушителния обратен ток в резервни системи.
• Ограничителини вериги : Във вериги с обратна връзка (flyback) и резонансни топологии Шотки диодите отклоняват превключвателни преходни процеси за наносекунди, безопасно абсорбирайки върхови енергии, надвишаващи 200 mJ.

Заедно тези функции осигуряват ефективност над 94 % в компактни и високонадеждни блокове за захранване, като едновременно защитават от катастрофални събития на прекомерно напрежение.

Компромиси при проектирането: балансиране на производителността и ограниченията на Шотки диодите

Компромис между обратната течност и напрежението в права посока при висока температура

Това, което прави тези компоненти способни да постигнат толкова ниски падове на напрежението в права посока (обикновено между 0,15 V и 0,45 V), също води до компромис при обратния ток на подтекане (IR), особено забележим при по-високи работни температури. Основната причина за това е термоелектронната емисия, която протича на границата между метал и полупроводник. Когато температурата на прехода се повиши — например до около 125 °C — започваме да наблюдаваме рязко увеличение на токовете на подтекане в сравнение с условията при стайна температура. В този момент токът на подтекане може да надвишава хиляда пъти стойността му при нормални околни температури. Напрежението в права посока обаче остава относително стабилно, затова инженерите трябва да следят внимателно как този нарастващ обратен ток на подтекане става основен източник на загуба на мощност в техните проекти. Ако не се вземат мерки, това може да доведе до сериозни термични проблеми в бъдеще. Всеки, който работи върху системи за автомобили, оборудване за автоматизация на производствени линии или центрове за обработка на данни, трябва задължително да вземе предвид експоненциалното нарастване на този ток на подтекане както при компютърните симулации, така и при изпитанията на прототипи в реални условия.

Ограничения за номинално напрежение и най-добрите практики за намаляване на натоварването

Шотки диодите по своята същност имат ограничение за максимално обратно напрежение (V _РРМ ) — повечето търговски устройства имат горна граница под 200 V поради ограниченията във височината на потенциалната бариера. Превишаването на V _РРМ води до лавинообразен пробой и необратима повреда. Следователно стратегическото намаляване на натоварването е задължително:

• Стандартно промишлено използване : Избирайте диоди с номинално напрежение поне с 20 % по-високо от максималното системно напрежение
• Приложения с висока надеждност (медицински, военни, аерокосмически): Прилагайте маржи за намаляване на натоварването от 40–50 %
• Системи с динамични преходни процеси : Комбинирайте с подавители на преходни напреждения (TVS) за вълни с продължителност над 100 нс

Термичното намаляване на мощността е също толкова критично — V _РРМ допустимото отклонение спада, когато температурата в прехода се доближава до 150 °C. Точното моделиране на температурния коефициент по време на проектирането на печатната платка и термичния дизайн предотвратява неочаквани повреди в плътно компоновани стъпени за управление на мощността.