Snižování ztrát vodivostí díky nízkému poklesu přímého napětí

Porozumění energetickým ztrátám v konvenčních PN přechodových diodách

Standardní diody s přechodem PN obvykle mají pokles napětí v propustném směru v rozmezí přibližně 0,6 až 1,0 voltu, což při zpracování velkých proudů způsobuje značné ztráty energie. Vezměme si například běžnou křemíkovou diodu, u které dojde k úbytku napětí přibližně 0,7 voltu. Při proudu 10 ampér se toto projeví ztrátou zhruba 7 wattů pouze ve formě tepla. Podle výzkumu publikovaného společností TrrSemicon již v roce 2023 mohou tyto ztráty představovat až třetinu všech ztrát výkonu v určitých 48voltových napájecích systémech. Na tomto problému je navíc zvlášť negativní to, že tyto ztráty vznikají rekombinací elektronů a děr přímo v samotném PN přechodu. To je zvlášť nevýhodné pro obvody pracující při nižších napětích, protože i malé snížení napětí na jednotlivých součástkách může výrazně omezit celkovou účinnost systému.

Jak Schottkyho diody minimalizují ztráty vedením díky nižšímu napětí v propustném směru

Schottkyho diody pracují s kovovými polovodičovými přechody a mohou dosáhnout propustných napětí až kolem 0,3 V. To je ve skutečnosti přibližně o 57 procent nižší než u běžných PN diod. Nižší napětí znamená menší ztráty energie při průchodu elektrického proudu. Studie z minulého roku zkoumala účinnost různých součástek a zjistila něco působivého. Když inženýři v DC-DC měničích nahradili křemíkové diody Schottkyho diodami, pozorovali téměř o 58 % nižší ztráty během procesu usměrnění. Další velkou výhodou je, že tyto diody neukládají žádné minoritní nosiče náboje, takže při přepínání stavů nedochází ke ztrátám způsobeným reverzní rekombinací. To je činí obzvláště užitečnými v aplikacích, kde je vyžadováno rychlé spínání.

Vliv na rozptyl výkonu a tvorbu tepla při návrhu obvodů

Schottkyho diody spotřebují méně energie, což znamená, že celkově generují méně tepla. Toto snížení snižuje potřebu chladičů přibližně o 40 % ve srovnání s tradičními uspořádáními PN diod. U automobilových aplikací konkrétně pozorujeme pokles teploty přechodu o přibližně 15 stupňů Celsia při zatížení 5 ampéry, což přispívá k delší životnosti těchto součástek v automobilových systémech. Tepelné výhody také poskytují inženýrům větší flexibilitu při návrhu menších zdrojů, které stále dosahují účinnosti nad 90 %, a to bez nutnosti použití ventilátorů nebo jiných aktivních chladicích metod.

Měření zisků v účinnosti: Schottkyho diody vs. PN diody v reálných obvodech

Testy ukazují, že Schottkyho diody mohou zvýšit účinnost systému o 2,5 až 4 procenta v aplikacích s napětím 12 voltů ve srovnání s těmi otravnými ultra rychlými PN diodami. Vezměme si například standardní zdroj 100 wattů, který dosahuje účinnosti kolem 93 procent při použití Schottkyho usměrňovačů, zatímco křemíkové diody dosáhnou jen přibližně 89 procent. To odpovídá úspoře zhruba 15,6 kilowatthodin ročně při nepřetržitém provozu. Ve vyšších frekvenčních systémech nad 100 kilohertz se situace ještě zlepšuje. Tradiční diody zde začínají ztrácet své výhody, protože spínací i vodivé ztráty prudce stoupají, což je činí méně vhodnými pro tyto náročné aplikace.

Studie případu: Zvýšená účinnost ve zdrojích a DC-DC měničích

U modernizace telekomunikační infrastruktury dosáhly moduly 48V usměrňovače s použitím Schottkyho diod účinnosti 96 %, což představuje zlepšení o 3,2 procentního bodu oproti dřívějším návrhům. Průchozí napětí 0,32 V umožnilo použít o 22 % menší magnetické komponenty a v jednotkách 300 W eliminuje nutnost chlazení ventilátorem, čímž se sníží roční náklady na energii o 18 000 USD na lokalitu při zachování dostupnosti 99,9 % u 5G základnových stanic.

Minimalizace spínacích ztrát díky rychlému obnovovacímu chování

Role vysoké rychlosti spínání při snižování spínacích ztrát při vysokých frekvencích

Šotkyho diody mají velmi krátké doby zotavení v závěrném směru, obvykle pod 100 nanosekund. To je přibližně 50 až 100krát rychlejší než u běžných PN diod. Díky této rychlosti ztrácejí mnohem méně energie při náhlých změnách napětí. Rychlá odezva znamená, že dioda téměř okamžitě přestane vést, jakmile se polarita obrátí. Testy ukazují, že to může snížit dočasné ztráty výkonu o přibližně 30 procent v DC-DC měničích pracujících na frekvencích nad 100 kHz. Na tomto se shoduje řada studií o spínaných zdrojích, i když přesné hodnoty se liší v závislosti na konkrétním použití.

Porovnání výkonu se pomalu se zotavujícími PN diodami v aplikacích PWM a SMPS

Pokud jde o PWM pohon motora, Schottkyho diody ve skutečnosti snižují spínací ztráty o přibližně 40 % ve srovnání se starými pomalými PN diodami se zpožděným zotavením. Výzkum z roku 2023, který se zaměřil na klesající měniče, odhalil něco zajímavého – při použití Schottkyho diod dosahují tyto systémy špičkové účinnosti kolem 92 %, zatímco u verzí s PN diodami to bylo jen přibližně 85 %. A to nejlepší nakonec: rozdíl mezi nimi se ještě zvětšuje, jakmile začneme hovořit o frekvencích nad 500 kHz. Tato rychlá odezva je činí velmi užitečnými pro telekomunikační napájecí systémy, kde je velmi důležité zachovat přesnou kontrolu napětí. Představte si vysílače mobilních sítí, které potřebují stabilní napájení bez výkyvů, které by mohly narušit kvalitu signálu.

Rostoucí uplatnění v napájecích zdrojích se spínaným režimem kvůli požadavkům na vyšší účinnost

Podnícené globálními předpisy o energetice, jako je EU Lot 9, jsou Schottkyho diody nyní používány v 68 % návrhů spínaných zdrojů do 1 kW. Společnost Verified Market Research předpovídá roční růst trhu s vysokorychlostními diodami ve výši 25 % ve výkonovém systému obnovitelných zdrojů do roku 2028, protože výrobci využívají jejich vynikající tepelný výkon pro návrh kompaktních, bezventilátorových adaptéru.

Zapínání energeticky účinných nízkonapěťových a bateriově napájených systémů

Výzvy s napěťovou rezervou v moderních nízkonapěťových elektronických zařízeních

Když elektronika začne pracovat s těmito nižšími napětími kolem 1,8 V a 3,3 V, staromódní PN diody se stávají problematickými, protože spotřebují zhruba 0,7 V už jen tím, že tam jsou. Šotkyho diody tento problém docela dobře řeší, protože ušetří přibližně 30 až 50 procent tohoto cenného napěťového rozsahu, jelikož jejich propustný úbytek je blíže hodnotě 0,3 V. Rozdíl hraje velkou roli, zejména když baterie dosedá. U zařízení jako kardiostimulátory nebo jiné implantabilní lékařské přístroje mají i nepatrné změny význam. Studie ukazují, že pokud se napětí mění o více než 1 %, začíná to ovlivňovat přesnost senzorů uvnitř, které skutečně zjišťují, co v těle probíhá. Taková přesnost není jen výhodou – je naprosto nezbytná pro spolehlivé sledování stavu pacienta.

Optimalizace výkonu přenosných zařízení pomocí Šotkyho usměrňování

Nízký propustný úbytek napětí a rychlé spínací vlastnosti Schottkyho diod znamenají, že u přenosných zařízení snižují ztráty při usměrnění přibližně o 40 %. Podle výzkumu zveřejněného v roce 2022 o účinnosti napájení dosahují chytré telefony, které tyto diody používají ve svých nabíjecích obvodech, působivé účinnosti přeměny energie 94 %, zatímco tradiční PN diody dosahují jen asi 86 %. Co to znamená pro spotřebitele? Tenčí telefony bez obtěžujících chladičů vyčnívajících z těla, a to i při silném zatížení procesorů například při streamování přes sítě 5G nebo běhu graficky náročných aplikací.

Strategie návrhu pro maximalizaci výdrže baterie pomocí Schottkyho diod

Pro prodloužení výdrže baterie používají inženýři tři klíčové strategie:

1. Výběr diod s propustným úbytkem napětí <0,4 V při provozních proudech
2. Vyvážení zpětného unikajícího proudu (<100 µA) se požadavky na spínací frekvenci
3. Implementace řízení pracovního cyklu v obvodech s řízeným napájením

Polní testy ukazují, že tyto přístupy prodlužují životnost lithiových baterií o 15–20 % v průmyslových PDA zařízeních, což zdůrazňuje roli Schottkyho diod v prostředích s omezenou energií.

Zvyšování účinnosti přeměny energie a aplikace v oblasti obnovitelných zdrojů

Efektivní usměrňování výkonu v topologiích AC-DC a DC-DC převodníků

Schottkyho diody zvyšují výkon jak v systémech AC-DC, tak DC-DC, protože snižují ty nepříjemné poklesy napětí při přeměně elektrické energie. Výzkum novějších konstrukcí převodníků ukazuje, že tyto diody mohou zlepšit provoz o přibližně 12 až 15 procent ve srovnání s běžnými PN přechodovými diodami, zejména v běžcích/zvyšovačích pracujících na frekvencích nad 100 kHz, jak vyplývá z nedávné práce publikované IntechOpen v roce 2024. Jejich vysoká účinnost je dána nízkým propustným napětím kolem 0,3 až 0,4 V i při značných proudech až do 10 A, což znamená menší ztráty energie během celého procesu přeměny napětí.

Zamezení zpětného proudu ve fotovoltaických panelech: Šotkyho diody ve fotovoltaických systémech

Ve fotovoltaických polích Šotkyho diody zabraňují zpětnému toku proudu za nízkého osvětlení, čímž snižují ztráty energie v noci až o 72 % ve srovnání s neprotektovanými systémy. Díky rychlé odezvě (<50 ns) na zastínění chrání články před přehříváním v horkých bodech a zároveň uchovávají 98,5 % denního výkonu (Solar Energy Journal 2023).

Použití Šotkyho diod jako bypasových diod v polích solárních článků

Jsou-li použity jako bypasové diody v modulech se 60 články, snižují Šotkyho diody ztráty výkonu způsobené částečným zastíněním o 40–60 %. Díky nízkému tepelnému odporu (1,5 °C/W) umožňují nepřetržitý provoz při okolní teplotě 85 °C bez snižování výkonu, což je činí ideálními pro velké elektrárny, kde dlouhodobá spolehlivost převažuje nad mírným nárůstem unikajícího proudu.

Vyvažování zisků v účinnosti s kompromisy způsobenými unikajícím proudem

Ačkoli Šotkyho diody mají 2–5krát vyšší zpětný unikající proud než křemíkové diody, moderní konstrukce tento jev omezují následujícími způsoby:

• Inženýrství bariéry kompenzované teplotou (koeficient -0,02 mV/°C)
• Struktury ochranného kruhu, které snižují okrajový únik o 80 %
• Selektivní dopování epi-vrstvy pro optimalizaci V _F /I_R vyvážení

Tyto pokroky umožňují 94% účinnost systému ve řízení nabíjení MPPT, a to navzdory úniku 100 µA při 25 °C (Renewable Energy Focus 2024).

Nižší tepelné namáhání díky sníženým ztrátám výkonu v obvodech na bázi Schottkyho diod

Schottkyho diody spotřebovávají ve skutečnosti přibližně o polovinu méně výkonu než běžné PN diody, protože mají velmi nízký pokles napětí v propustném směru, a to kolem 0,3 až 0,4 V, na rozdíl od obvyklých 0,7 až 1,1 V, které vidíme u tradičních diod. Co to znamená? Také méně generovaného tepla. Při proudu 10 A produkují tyto Schottkyho diody pouze 3 až 5 wattů tepla, zatímco křemíkové diody vyzařují podle nedávných studií publikovaných v časopise Power Electronics Journal minulý rok mezi 7 až 11 wattů. Díky nižšímu hromadění tepla mohou tyto součástky spolehlivě fungovat i při teplotách až 125 stupňů Celsia, aniž by bylo nutné upravovat jejich výkon. To je činí ideálními pro situace, kdy je uvnitř uzavřených skříní nebo pod kapotou automobilů horko, kde by nadměrné teplo obvykle způsobovalo problémy v průběhu času.

Příležitosti pro kompaktní návrhy: menší chladiče a vyšší hustota výkonu

Snížením ztrát výkonu o 40 % až 60 % diody Schottky snižují požadovanou hmotnost chladiče o 30 % až 50 % v DC-DC měničích. Návrháři proto mohou:

• Nahradit hliníkové chladiče lehčími ocelovými plechy nebo polymerovými kompozity
• Zvýšit hustotu výkonu ze 8 W/in³ na 12 W/in³ u napájecích zdrojů serverů
• Eliminovat aktivní chlazení u přenosných zařízení do 100 W

Tyto výhody podporují senzory a nositelná zařízení nové generace IoT, kde omezení místa na desce plošných spojů vyžaduje součástky s výškou pod 5 mm.

Nejčastější dotazy

Co jsou ztráty vodivostí u diod?

Ztráty vodivostí označují energii ztracenou ve formě tepla, když dioda vede proud, především kvůli poklesu napětí v propustném směru na diodě.

Jak diody Schottky snižují spotřebu energie?

Diody Schottky mají nižší pokles napětí v propustném směru ve srovnání s tradičními PN přechodovými diodami, což vede ke snížení ztrát energie při vedení elektrického proudu.

U jakých aplikací je výhodné použití diod Schottky?

Schottkyho diody jsou výhodné ve vysokofrekvenčních aplikacích, napájecích zdrojích, stejnosměrných měničích, nízkonapěťové elektronice, solárních panelech a systémech vyžadujících vysokou účinnost a rychlé spínání.