Niedriger Durchlassspannungsabfall: Steigerung der Effizienz in Niederspannungs-Stromversorgungen

Physik der Schottky-Sperrschichtleitung und reduzierte V _K

Schottky-Dioden funktionieren anders, weil sie einen Metall-Halbleiter-Übergang statt des üblichen p-n-Übergangs bilden, wie er bei herkömmlichen Dioden vorkommt. Das bedeutet, dass keine Injektion von Minoritätsträgern erforderlich ist, wodurch die störenden Rekombinationsverluste in der Raumladungszone entfallen, die wir bei traditionellen Aufbauten beobachten. Das Ergebnis? Die Leitung erfolgt durch Mehrheitsladungsträger mit einem deutlich niedrigeren Barrierpotential. Stellen Sie sich vor: etwa 0,15 Volt bis 0,45 Volt im Vergleich zu 0,7 Volt bis 1,1 Volt bei Standard-Siliziumdioden. Die Elektronen fließen einfach direkt vom n-dotierten Halbleitermaterial in den Metallkontakt, sodass während des Vorgangs praktisch keine Energie verloren geht. Bei 5-Volt-Stromversorgungen können diese Schottky-Dioden die Vorwärtsspannung gegenüber konventionellen Lösungen um 60 bis 80 Prozent senken. Das macht einen echten Unterschied, da Leitungsverluste insbesondere bei niedrigen Spannungen und hohen Stromstärken besonders problematisch sind.

Gemessene Effizienzsteigerungen: 2–5 % bei 3,3-V-/5-V-DC-DC-Wandlern

Unabhängige Benchmarking-Tests synchroner Abwärtswandler bestätigen konsistente Effizienzverbesserungen auf Systemebene, wenn Schottky-Dioden Silizium-Gleichrichter ersetzen. Mehrere Studien aus dem Jahr 2023 zu industriellen und serverfähigen Designs zeigen Verbesserungen von 2–5 % – insbesondere ausgeprägt bei 3,3-V- und 5-V-Ausgängen, wo die Leitungsverluste umgekehrt proportional zur Spannung steigen. Bei einem Ausgangsstrom von 20 A lauten repräsentative Ergebnisse:

Diese Verbesserungen erleichtern die thermische Managementaufgabe in platzkritischen Anwendungen – darunter Server-Stromversorgungsmodule, automobile Steuergeräte (ECUs) und tragbare Elektronik – wobei jeder eingesparte Watt gemäß jüngsten Feldstudien die Akkulaufzeit um 15–20 % verlängert.

Ultra-schnelles Schalten: Ermöglicht hochfrequente, kompakte SMPS-Designs

Keine Speicherung von Minoritätsträgern und subnanosekundliche Sperrverzugszeit

Schottky-Dioden funktionieren anders als herkömmliche Dioden, weil sie während der Leitung ausschließlich Mehrheitsladungsträger nutzen. Praktisch bedeutet dies, dass keine Speicherverzögerung im Zusammenhang mit Minoritätsladungsträgern auftritt. Und genau das macht den entscheidenden Unterschied bei jenen störenden Stromspitzen während der Sperrverzögerung – einem echten Problem für PN-Übergangsdioden. Die Sperrverzögerungszeit liegt hier deutlich unter 1 Nanosekunde, sodass diese Dioden auch bei Betriebsfrequenzen im mehrere Megahertz-Bereich sauber abschalten können. Beispielsweise zeigen Abwärtswandler (Buck-Regler), die im Frequenzbereich von etwa 500 kHz arbeiten, gegenüber den hochentwickelten ultraschnellen Silizium-Alternativen einen um 2 bis 5 Prozent geringeren Schaltverlust. Eine letztes Jahr von Power Electronics International veröffentlichte Studie bestätigt dies. All diese Verbesserungen führen zu einer verringerten elektromagnetischen Störstrahlung, kühleren Komponenten und besseren Leistungsverdichtungsmöglichkeiten. Diese Vorteile sind besonders wichtig, wenn die Wärmeableitung schwierig ist oder wenn raumbedingte Einschränkungen kompakte Stromversorgungslösungen erfordern.

Unterstützung von Betriebsfrequenzen > 1 MHz mit GaN- und SiC-Leistungsstufen

Transistoren aus Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) können heutzutage Frequenzen deutlich über 1 MHz verarbeiten. Doch entscheidend für ihre Leistung ist tatsächlich, wie schnell diese Gleichrichter arbeiten. Die hier verwendeten Schottky-Dioden – insbesondere die auf Siliziumkarbid basierenden – weisen Sperrverzugszeiten auf, die im Bereich von Bruchteilen einer Nanosekunde liegen. Sie sind nahezu perfekt mit den Schaltzeitpunkten von GaN- und SiC-Bauelementen synchronisiert. Dadurch werden jene störenden Spannungsspitzen vermieden, die beim Umschalten von Schaltzuständen auftreten. In Designs mit Betriebsfrequenzen im mehreren Megahertz-Bereich beobachten wir eine Reduktion der elektromagnetischen Störstrahlung um etwa 15 dB. Ein weiterer Vorteil ergibt sich zudem: Schnelleres Schalten ermöglicht kleinere Transformatoren und Drosseln. Diese Komponenten können im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit 100 kHz um mehr als 60 % verkleinert werden. Deshalb setzen Ingenieure so stark auf Schottky-Dioden für kompakte Stromversorgungen, die über 1 kW Leistung in ein so kleines Gehäuse integrieren, dass sie problemlos in einen Serverrack oder eine Ladestation für Elektrofahrzeuge passen – und dabei dennoch gute Wirkungsgradwerte sowie einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten.

Kritische Anwendungen: Gleichrichtung und Freilauf in modernen Netzteilen (PSUs)

Synchrone Gleichrichtung, OR-ing und Dämpfungsschaltungen

Schottky-Dioden erfüllen drei unverzichtbare Funktionen in modernen Netzteilen (PSUs):

• Synchroner Gleichrichtungsbetrieb : Auf der Sekundärseite von DC-DC-Wandlern reduziert ihr niedriger Vorwärtsspannungsabfall von 0,3–0,5 V Energieverluste, die andernfalls als Wärme verloren gehen – dies steigert den Wirkungsgrad um bis zu 4 % in 48-V-Server-Netzteilen.
• OR-ing : Durch ihre schnelle Schaltgeschwindigkeit isolieren sie primäre und redundante Stromversorgungsleitungen bei einem Ausfall und verhindern so schädliche Rückstromflüsse in redundanten Systemen.
• Dämpfungsschaltungen : In Flyback- und resonanten Topologien leiten Schottky-Dioden Schalttransienten innerhalb von Nanosekunden ab und absorbieren dabei sicher Spitzenenergien von über 200 mJ.

Gemeinsam ermöglichen diese Funktionen einen Wirkungsgrad von über 94 % in kompakten, hochzuverlässigen Netzteilen und schützen gleichzeitig vor katastrophalen Überspannungsereignissen.

Konstruktionskompromisse: Abwägung zwischen Leistungsmerkmalen und Grenzen von Schottky-Dioden

Kompromiss zwischen Rückwärtsleckstrom und Vorwärtsspannung bei hoher Temperatur

Was dafür sorgt, dass diese Komponenten so niedrige Vorwärtsspannungsabfälle (typischerweise zwischen 0,15 V und 0,45 V) aufweisen, birgt zugleich einen Kompromiss hinsichtlich des Sperrstroms (IR), insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen. Hauptursache hierfür ist die thermische Elektronenemission an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche. Wenn die Sperrschichttemperatur steigt – beispielsweise auf etwa 125 Grad Celsius – nimmt der Sperrstrom im Vergleich zu Raumtemperaturbedingungen stark zu. Zu diesem Zeitpunkt kann der Sperrstrom mehr als tausendmal größer sein als bei normalen Umgebungstemperaturen. Die Vorwärtsspannung bleibt dagegen weitgehend konstant; Entwickler müssen daher darauf achten, dass dieser zunehmende Sperrstrom zur dominierenden Quelle für Leistungsverluste in ihren Schaltungen wird. Wird dieser Effekt nicht berücksichtigt, können sich im weiteren Verlauf ernsthafte thermische Probleme ergeben. Alle, die an Systemen für Automobile, Fertigungsautomatisierungsanlagen oder Rechenzentren arbeiten, müssen unbedingt berücksichtigen, wie stark dieser Sperrstrom sowohl in Computersimulationen als auch bei der Prüfung von Prototypen unter realen Bedingungen exponentiell ansteigt.

Spannungsbelastungsgrenzen und bewährte Praktiken zur Spannungsabsenkung

Schottky-Dioden sind grundsätzlich in der maximalen Sperrspannung (V _RRM ) begrenzt – bei den meisten handelsüblichen Bauelementen liegt diese aufgrund von Barrierenhöheneinschränkungen unter 200 V. Eine Überschreitung von V _RRM birgt das Risiko einer Lawinendurchbruchspannung und eines irreversiblen Ausfalls. Eine strategische Spannungsabsenkung ist daher zwingend erforderlich:

• Standardindustrielle Anwendung : Dioden mit einer Nennspannung wählen, die mindestens 20 % über der maximalen Systemspannung liegt
• Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit (medizinisch, militärisch, Luft- und Raumfahrt): Spannungsabsenkungsmargen von 40–50 % anwenden
• Systeme mit dynamischen Transienten : Bei Überspannungen mit einer Dauer von mehr als 100 ns durch Überspannungsschutzdioden (TVS) ergänzen

Die thermische Leistungsreduzierung ist ebenso kritisch – V _RRM die Toleranz nimmt ab, wenn die Sperrschichttemperatur sich 150 °C nähert. Eine genaue Modellierung des Temperaturkoeffizienten während des Leiterplatten-Layouts und der thermischen Konstruktion verhindert unerwartete Ausfälle in dicht bestückten Leistungsstufen.