Nízký přímý úbytek napětí: zvyšování účinnosti v napájecích zdrojích s nízkým napětím

Fyzika vedení přes Schottkyho bariéru a snížené V _F

Schottkyho diody fungují jinak, protože tvoří kovově-polovodičové rozhraní namísto obvyklého přechodu typu p-n, který se nachází v běžných diodách. To znamená, že není nutná injekce minoritních nosičů náboje, čímž se eliminují ty nepříjemné ztráty způsobené rekombinací v vyčerpané vrstvě, jež pozorujeme v tradičních uspořádáních. Výsledek? Vedení probíhá pomocí majoritních nosičů náboje při výrazně nižším potenciálovém baru. Uvažujte například hodnoty mezi 0,15 V a 0,45 V, zatímco standardní křemíkové diody vyžadují napětí mezi 0,7 V a 1,1 V. Elektrony prostě proudí přímo z polovodičového materiálu typu n do kovového kontaktu, takže během tohoto procesu se téměř žádná energie neztrácí. Pokud se konkrétně zaměříme na napájecí zdroje s napětím 5 V, tyto Schottkyho diody mohou snížit úbytek napětí v propustném směru o 60 až 80 procent ve srovnání s konvenčními řešeními. To má skutečný dopad, neboť ztráty způsobené vedením jsou obvykle nejproblémovější právě při nízkých napětích a vysokých proudech.

Naměřené zvýšení účinnosti: 2–5 % u DC-DC měničů 3,3 V/5 V

Nezávislé referenční testování synchronních klesajících měničů potvrzuje konzistentní zlepšení účinnosti na úrovni celého systému, pokud jsou křemíkové usměrňovače nahrazeny Schottkyho diodami. Více studií z roku 2023 v průmyslových a serverových návrzích ukazuje zvýšení účinnosti o 2–5 % – zejména výrazné u výstupních napětí 3,3 V a 5 V, kde ztráty vedením klesají nepřímo úměrně k napětí. U výstupního proudu 20 A jsou typické výsledky následující:

Tato zlepšení přímo usnadňují tepelné řízení v aplikacích s omezeným prostorem – včetně modulů napájení pro servery, elektronických řídicích jednotek (ECU) v automobilovém průmyslu a přenosných elektronických zařízení – kde každý ušetřený watt prodlouží životnost baterie o 15–20 %, jak vyplývá z nedávných praktických případových studií.

Ultra-rychlé spínání: umožňuje návrhy kompaktních spínaných zdrojů (SMPS) s vysokou frekvencí

Žádné akumulace minoritních nosičů náboje a zpětné obnovovací doby kratší než jeden nanosekunda

Schottkyho diody fungují jinak než běžné diody, protože při vedení proudu využívají pouze majoritní nosiče. To znamená prakticky, že nedochází k žádnému zpoždění způsobenému ukládáním minoritních nosičů. A právě to je rozhodující rozdíl při potížích s proudovými špičkami zpětného přechodu, které jsou pro PN-přechodové diody v podstatě velkým problémem. Čas zpětného přechodu u těchto diod klesá výrazně pod 1 nanosekundu, takže se dokáží vypnout čistě i při provozu na několika megahertzcích. Například u sestupných regulátorů (buck regulátorů) pracujících v pásmu kolem 500 kHz pozorujeme snížení spínacích ztrát o přibližně 2 až 5 procent ve srovnání s těmito pokročilými ultra-rychlými křemíkovými alternativami. Tuto skutečnost potvrzuje studie publikovaná loni časopisem Power Electronics International. Všechny tyto vylepšení se promítají do snížené elektromagnetické interference, chladnějšího provozu součástek a lepších možností kompaktního uspořádání výkonu. Tyto výhody mají značný význam v situacích, kdy je řízení tepla obtížné nebo kdy prostorová omezení vyžadují kompaktní napájecí řešení.

Podpora provozu při frekvencích vyšších než 1 MHz s výkonovými stupni na bázi GaN a SiC

Tranzistory z nitridu gallia (GaN) a karbidu křemíku (SiC) dnes dokáží zpracovávat frekvence výrazně vyšší než 1 MHz. Klíčové pro jejich výkon je však rychlost, s jakou tyto usměrňovače pracují. Schottkyho diody, které zde používáme – zejména ty založené na karbidu křemíku – mají dobu obnovy měřenou zlomky nanosekundy. Tato doba téměř dokonale odpovídá přepínacím bodům zařízení z GaN a SiC. Díky tomu se potlačují ty nepříjemné napěťové špičky, které vznikají při přepínání stavů obvodů. V návrzích pracujících na několika megahertzech pozorujeme pokles elektromagnetického rušení přibližně o 15 dB. Existuje však i další výhoda: rychlejší přepínání umožňuje použít menší transformátory a tlumivky. Tyto komponenty se mohou zmenšit o více než 60 % ve srovnání se systémy pracujícími na tradiční frekvenci 100 kHz. Proto inženýři tak silně spoléhají na Schottkyho diody při návrhu kompaktních napájecích zdrojů, které poskytují výkon přesahující 1 kW v tak malém rozměru, že se vejdou do serverového racku nebo nabíjecí stanice elektrických vozidel, a přesto zachovávají dobré hodnoty účinnosti i spolehlivý provoz.

Kritické aplikace: usměrňování a volnoběh v moderních zdrojích napájení (PSU)

Synchronní usměrňování, funkce OR-ing a ochranné obvody

Schottkyho diody plní tři nezbytné funkce v moderních zdrojích napájení (PSU):

• Synchronní usměrnění : Na sekundární straně DC-DC měničů jejich nízký úbytek v propustném směru (0,3–0,5 V) umožňuje zpětné využití energie, která by jinak byla ztracena ve formě tepla – čímž se účinnost zvyšuje až o 4 % u zdrojů napájení pro servery s napětím 48 V.
• OR-ing : Díky rychlému spínání izolují primární a záložní napájecí větve během přepínání, čímž brání ničivému průtoku zpětného proudu v redundantních systémech.
• Ochranné obvody : V topologiích s obráceným chodem (flyback) a rezonančních topologiích Schottkyho diody odvádějí přepínací přechodové jevy během několika nanosekund a bezpečně absorbují špičkové energie přesahující 200 mJ.

Tyto funkce společně umožňují účinnost vyšší než 94 % v kompaktních a vysoce spolehlivých zdrojích napájení, zároveň chrání před katastrofálními událostmi přepětí.

Návrhové kompromisy: vyvážení výkonu a omezení Schottkyho diod

Kompromis mezi zpětním unikáním a výkonem v předním směru při vysoké teplotě

To, co umožňuje těmto součástkám dosahovat tak nízkých úbytků napětí v propustném směru (obvykle mezi 0,15 V a 0,45 V), je spojeno s kompromisem z hlediska zpětního unikajícího proudu (IR), zejména patrným při vyšších provozních teplotách. Hlavní příčinou je zde termoemise na rozhraní kov–polovodič. S rostoucí teplotou přechodu, například až přibližně na 125 °C, začíná být nárůst unikajícího proudu výrazný ve srovnání s podmínkami pokojové teploty. V tomto případě může být unikající proud více než tisíckrát vyšší než při běžných okolních teplotách. Napětí v propustném směru však zůstává poměrně stabilní, a proto musí inženýři dávat pozor na to, že stále rostoucí zpětný unikající proud se může stát hlavním zdrojem ztrát výkonu v jejich návrzích. Pokud není tento jev řádně sledován a omezen, může v budoucnu vést k vážným tepelným problémům. Každý, kdo pracuje na systémech určených pro automobily, průmyslové automatizační zařízení nebo datová centra, musí při počítačových simulacích i při testování prototypů za reálných podmínek vzít v úvahu exponenciální růst tohoto unikajícího proudu.

Omezení napěťového hodnocení a osvědčené postupy snižování zatížení

Schottkyho diody jsou zásadně omezeny maximálním zpětným napětím (V _RRM ) – u většiny komerčních součástek je toto napětí kvůli omezením výšky bariéry omezeno na hodnotu pod 200 V. Překročení napětí V _RRM hrozí lavinový průraz a nevratné poškození. Strategické snižování zatížení je proto povinné:

• Standardní průmyslové použití : Vyberte diody s hodnocením alespoň o 20 % vyšším než je špičkové napětí systému
• Aplikace vyžadující vysokou spolehlivost (lékařské, vojenské, letecké a kosmické): Použijte bezpečnostní rozpětí pro snížení zatížení 40–50 %
• Systémy s dynamickými přechodovými jevy : Kombinujte se supresory přepětí (TVS) pro přepěťové špičky delší než 100 ns

Teplotní snížení výkonu je stejně kritické — V _RRM tolerance klesá, jak se teplota přechodu blíží 150 °C. Přesné modelování teplotního koeficientu během návrhu desky plošných spojů (PCB) a tepelného návrhu zabrání neočekávanému poškození v hustě zabudovaných výkonových stupních.