کاهش تلفات هدایتی با افت ولتاژ مستقیم پایین

درک تلفات انرژی در دیودهای معمولی اتصال PN

دیودهای معمولی اتصال PN معمولاً دارای افت ولتاژ مستقیم در محدوده 0.6 تا 1.0 ولت هستند که این امر هنگام عبور جریان‌های بزرگ، باعث هدررفت مقدار قابل توجهی انرژی می‌شود. به عنوان مثال، یک دیود سیلیکونی معمولی را در نظر بگیرید که حدود 0.7 ولت افت ولتاژ دارد. در جریان 10 آمپری، این امر به معنای تلف شدن تقریباً 7 وات انرژی صرفاً به صورت گرما است. طبق تحقیقات منتشر شده توسط TrrSemicon در سال 2023، این نوع تلفات می‌تواند در برخی سیستم‌های برق 48 ولتی تقریباً به یک سوم کل تلفات توان برسد. چیزی که این مشکل را بدتر می‌کند، این است که این تلفات به دلیل ترکیب مداوم الکترون‌ها و حفره‌ها در درون خود اتصال PN رخ می‌دهد. این موضوع به ویژه برای مدارهایی که در ولتاژهای پایین‌تر کار می‌کنند، خبر بدی است، زیرا حتی کاهش‌های نезچی ولتاژ در سراسر قطعات می‌تواند به طور جدی بازده کلی سیستم را کاهش دهد.

چگونه دیودهای اِشوکی با کاهش افت ولتاژ مستقیم، تلفات هدایت را به حداقل می‌رسانند

دیودهای شاتکی با اتصالات نیمه‌رسانا-فلز کار می‌کنند و می‌توانند ولتاژ پیش‌سو را تا حدود 0.3 ولت کاهش دهند. این مقدار در واقع حدود 57 درصد کمتر از آنچه در دیودهای معمولی PN مشاهده می‌شود. ولتاژ پایین‌تر به معنای تلفات انرژی کمتر هنگام عبور جریان الکتریکی است. مطالعه‌ای که سال گذشته انجام شد به بررسی بازدهی مؤلفه‌های مختلف پرداخت و یافته‌ای قابل توجه را آشکار کرد. وقتی مهندسان دیودهای سیلیکونی را در مبدل‌های DC به DC با دیودهای شاتکی جایگزین کردند، تقریباً 58 درصد کاهش در تلفات حین فرآیند یکسوسازی مشاهده شد. مزیت بزرگ دیگر این است که این دیودها هیچ حامل اقلیتی را ذخیره نمی‌کنند، بنابراین هنگام تغییر وضعیت، تلفات بازیابی معکوس وجود ندارد. این ویژگی آن‌ها را به‌ویژه در کاربردهایی که نیاز به سوئیچینگ سریع دارند، بسیار مفید می‌سازد.

تأثیر بر تلفات توان و تولید گرما در طراحی مدار

دیودهای شاتکی مصرف برق کمتری دارند که به معنای تولید گرمای کمتر به طور کلی است. این کاهش، نیاز به رادیاتورهای خنک‌کننده را در مقایسه با مجموعه‌های سنتی دیود PN به میزان حدود ۴۰٪ کاهش می‌دهد. به ویژه در کاربردهای خودرویی، دمای اتصال (junction) در بار ۵ آمپری حدود ۱۵ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد که این امر باعث افزایش طول عمر این قطعات در سیستم‌های خودرو می‌شود. مزایای حرارتی همچنین به مهندسان انعطاف‌پذیری بیشتری می‌دهد تا منابع تغذیه کوچک‌تری طراحی کنند که همچنان بازدهی بالای ۹۰٪ را بدون نیاز به فن یا سایر روش‌های خنک‌سازی فعال، به دست آورند.

سنجش بهبودهای بازده: شاتکی در مقابل دیودهای PN در مدارهای واقعی

آزمایش‌ها نشان می‌دهند که دیودهای شاتکی می‌توانند راندمان سیستم را در کاربردهای ریل 12 ولتی بین 2.5 تا 4 درصد نسبت به آن دیودهای PN فوق سریع مزاحم افزایش دهند. به عنوان مثال، یک منبع تغذیه استاندارد 100 واتی با استفاده از یکسوسازهای شاتکی با راندمان حدود 93 درصد کار می‌کند، در حالی که دیودهای سیلیکونی تنها به حدود 89 درصد راندمان دست می‌یابند. این موضوع معادل صرفه‌جویی در حدود 15.6 کیلووات ساعت در سال است، در صورتی که دستگاه به‌صورت مداوم کار کند. وضعیت در سیستم‌های با فرکانس بالاتر از 100 کیلوهرتز حتی بهتر می‌شود. دیودهای سنتی در اینجا شروع به از دست دادن برتری خود می‌کنند، زیرا هم تلفات سوئیچینگ و هم تلفات هدایت به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابند و آن‌ها را برای این کاربردهای پرمخاطره کمتر مناسب می‌سازند.

مطالعه موردی: بهبود راندمان در منابع تغذیه و مبدل‌های DC-DC

در یک ارتقاء زیرساخت مخابراتی، ماژول‌های تصحیح ولتاژ 48V که شامل دیودهای شاتکی هستند، به بازدهی 96٪ دست یافتند که این مقدار 3.2 درصد بالاتر از طراحی‌های قبلی است. ولتاژ مستقیم 0.32 ولتی باعث شد که قطعات مغناطیسی 22٪ کوچک‌تر شوند و در واحدهای 300 واتی دیگر نیازی به خنک‌کنندگی اجباری با هوای فشرده نباشد. این امر سالانه هزینه انرژی را به میزان 18,000 دلار در هر سایت کاهش داد و در عین حال قابلیت اطمینان 99.9٪ در ایستگاه‌های پایه 5G حفظ شد.

به حداقل رساندن تلفات کلیدزنی از طریق ویژگی‌های بازیابی سریع

نقش سرعت کلیدزنی بالا در کاهش تلفات کلیدزنی در فرکانس‌های بالا

دیودهای شاتکی زمان‌های بازیابی معکوس بسیار کوتاهی دارند، معمولاً کمتر از ۱۰۰ نانوثانیه. این زمان تقریباً ۵۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر از دیودهای معمولی PN است. به همین دلیل سرعتی، در شرایط تغییرات ناگهانی ولتاژ، انرژی کمتری تلف می‌شود. زمان پاسخگویی سریع به این معناست که دیود تقریباً بلافاصله پس از تغییر جهت قطبیت، دیگر هدایت نمی‌کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این ویژگی می‌تواند تلفات موقت توان را در مبدل‌های DC-DC که با فرکانسی بالای ۱۰۰ کیلوهرتز کار می‌کنند، حدود ۳۰ درصد یا بیشتر کاهش دهد. مطالعات متعددی در مورد منابع تغذیه حالت سوئیچینگ این موضوع را تأیید کرده‌اند، هرچند اعداد دقیق بسته به کاربرد خاص متفاوت هستند.

مقایسه عملکرد با دیودهای PN کندبازیاب در کاربردهای PWM و SMPS

در مورد درایوهای موتور PWM، دیودهای شاتکی در مقایسه با دیودهای PN قدیمی با بازیابی کند، تلفات سوئیچینگ را حدود ۴۰٪ کاهش می‌دهند. تحقیقات اخیر از سال ۲۰۲۳ در مورد مبدل‌های بوک نشان داد که چیزی جالب این است که هنگام استفاده از دیودهای شاتکی، این سیستم‌ها به بازدهی حداکثر حدود ۹۲٪ می‌رسند، در حالی که نسخه‌های PN تنها به حدود ۸۵٪ دست یافتند. و این تفاوت بین آن‌ها زمانی که فرکانس‌های بالای ۵۰۰ کیلوهرتز را در نظر بگیریم، بیشتر هم می‌شود. این ویژگی سریع‌العمل بودن، آن‌ها را بسیار مفید می‌کند برای سیستم‌های تغذیه تلفن همراه که کنترل دقیق ولتاژ اهمیت زیادی دارد. به فرستنده‌های تلفن همراه فکر کنید که به تغذیه پایدار نیاز دارند تا نوسانات باعث اختلال در کیفیت سیگنال نشوند.

افزایش پذیرش در منابع تغذیه سوئیچینگ به دلیل نیاز به بازدهی

تحت تأثیر مقررات جهانی انرژی مانند EU Lot 9، دیودهای اِشاتکی اکنون در ۶۸٪ طراحی‌های منبع تغذیه سوئیچینگ با توان زیر ۱ کیلووات استفاده می‌شوند. پیش‌بینی Research Verified بازار، رشد سالانه مرکب ۲۵ درصدی برای دیودهای سریع در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر تا سال ۲۰۲۸ را نشان می‌دهد، زیرا سازندگان از عملکرد حرارتی برتر این دیودها برای طراحی آداپتورهای فشرده و بدون فن بهره می‌برند.

فعال‌سازی سیستم‌های کم‌مصرف و کم‌ولتاژ مبتنی بر باتری

چالش‌های حاشیه ولتاژ در الکترونیک مدرن کم‌ولتاژ

وقتی الکترونیک‌ها در ولتاژهای پایین‌تر حدود 1.8 ولت و 3.3 ولت شروع به کار می‌کنند، دیودهای قدیمی PN مشکل‌ساز می‌شوند، چون تقریباً 0.7 ولت از آن ولتاژ ارزشمند را فقط با حضور خود مصرف می‌کنند. دیودهای اِشوکی (Schottky) این مشکل را به خوبی برطرف می‌کنند و بین 30 تا 50 درصد از فضای ولتاژ ارزشمند را ذخیره می‌کنند، چون افت ولتاژ رو به جلوی آن‌ها نزدیک به 0.3 ولت است. این تفاوت زمانی که باتری‌ها تقریباً خالی هستند بسیار مهم می‌شود. در مواردی مانند ضربان‌سازها یا سایر دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت، حتی تغییرات بسیار نезار هم اهمیت دارد. مطالعات نشان می‌دهند که اگر ولتاژ بیش از 1 درصد نوسان کند، دقت سنسورهای داخلی در خواندن صحیح اتفاقات درون بدن تحت تأثیر قرار می‌گیرد. این سطح از دقت فقط یک مزیت نیست، بلکه برای نظارت قابل اعتماد از بیمار ضروری است.

بهینه‌سازی عملکرد دستگاه‌های قابل حمل با استفاده از یکسوکننده اِشوکی

افت ولتاژ مستقیم پایین و ویژگی‌های سوئیچینگ سریع دیودهای شاتکی به این معنی است که این دیودها تلفات یکسوکننده را در دستگاه‌های قابل حمل حدود ۴۰٪ کاهش می‌دهند. بر اساس تحقیقات منتشر شده در سال ۲۰۲۲ در مورد بازدهی توان، گوشی‌های هوشمندی که از این دیودها در مدار شارژ خود استفاده می‌کنند به نرخ تبدیل انرژی قابل توجهی برابر با ۹۴٪ دست می‌یابند، در حالی که دیودهای سنتی PN تنها به حدود ۸۶٪ دست پیدا می‌کنند. این در عمل به چه معناست برای مصرف‌کنندگان؟ گوشی‌های نازک‌تر بدون آن شمع‌های انتقال حرارت آزاردهنده که بیرون زده‌اند، در حالی که پردازنده‌ها حتی در هنگام انجام عملیات پرظرفیت مانند پخش استریم از طریق شبکه‌های ۵G یا اجرای برنامه‌های گرافیکی سنگین نیز قوی باقی می‌مانند.

راهبردهای طراحی برای بیشینه‌سازی عمر باتری با دیودهای شاتکی

برای افزایش طول عمر باتری، مهندسان از سه راهبرد کلیدی استفاده می‌کنند:

1. انتخاب دیودهایی با ولتاژ مستقیم کمتر از ۰٫۴ ولت در جریان‌های کاری
2. تعادل بین نشت معکوس (<۱۰۰ میکروآمپر) و نیازهای فرکانس سوئیچینگ
3. اجرا کردن کنترل چرخه کاری در مدارهای دارای قطع توان

آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که این رویکردها عمر باتری‌های لیتیوم-یون را در دستگاه‌های صنعتی PDA به میزان ۱۵ تا ۲۰ درصد افزایش می‌دهند و نقش دیودهای شاتکی را در محیط‌های با محدودیت انرژی برجسته می‌کنند.

بهبود تبدیل توان و کاربردهای انرژی تجدیدپذیر

یکسوسازی کارآمد توان در توپولوژی‌های تبدیل AC-DC و DC-DC

دیودهای شاتکی با کاهش افت ولتاژهای نامطلوب هنگام تبدیل انرژی الکتریکی، عملکرد سیستم‌های توان AC-DC و DC-DC را افزایش می‌دهند. پژوهش در طراحی‌های جدیدتر مبدل‌ها نشان می‌دهد که این دیودها می‌توانند عملکرد سیستم را حدود ۱۲ تا ۱۵ درصد نسبت به دیودهای معمولی PN بهبود بخشند، به‌ویژه در پیکربندی‌های buck/boost که در فرکانس‌های بالای ۱۰۰ کیلوهرتز کار می‌کنند، همان‌طور که در تحقیق منتشرشده توسط IntechOpen در سال ۲۰۲۴ گزارش شده است. عامل اصلی اثربخشی آن‌ها، افت ولتاژ مستقیم پایین آن‌ها در حدود ۰٫۳ تا ۰٫۴ ولت است که حتی در جریان‌های قابل توجه تا ۱۰ آمپر نیز حفظ می‌شود و بدین معناست که انرژی کمتری در طول فرآیند تبدیل ولتاژ تلف می‌شود.

جلوگیری از جریان معکوس در پنل‌های خورشیدی: دیودهای اِشاتکی در سیستم‌های فتوولتائیک

در آرایه‌های خورشیدی، دیودهای اِشاتکی جریان معکوس را در شرایط کم‌نوری مسدود می‌کنند و اتلاف انرژی در شب را تا 72٪ نسبت به سیستم‌های محافظت‌نشده کاهش می‌دهند. پاسخ سریع آن‌ها (<50ns) به شرایط سایه‌زدگی، سلول‌ها را از گرمایش نقطه داغ محافظت کرده و 98.5٪ از تولید روزانه انرژی را حفظ می‌کند (مجله انرژی خورشیدی، 2023).

استفاده از دیودهای اِشاتکی به عنوان دیودهای بای‌پس در آرایه سلول‌های خورشیدی

هنگامی که به عنوان دیودهای بای‌پس در ماژول‌های 60 سلولی استفاده می‌شوند، انواع اِشاتکی اتلاف توان ناشی از سایه‌زدگی جزئی را 40 تا 60٪ کاهش می‌دهند. مقاومت حرارتی پایین آن‌ها (1.5°C/W) امکان کارکرد مداوم در دمای محیط 85°C را بدون کاهش رتبه‌بندی فراهم می‌کند و آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای نصب‌های برقی تبدیل می‌کند که در آن قابلیت اطمینان بلندمدت از افزایش جزئی جریان نشتی مهم‌تر است.

متعادل‌سازی بهره‌وری با توجه به معایب ناشی از جریان نشتی

اگرچه دیودهای اِشاتکی جریان نشتی معکوس 2 تا 5 برابر بیشتری نسبت به دیودهای سیلیکونی دارند، اما طراحی‌های جدید این مشکل را از طریق موارد زیر کاهش می‌دهند:

• مهندسی سد جبران‌شده دمایی (ضریب -0.02mV/°C)
• ساختارهای حلقه محافظ که نشت لبه را تا 80٪ کاهش می‌دهند
• آلایش لایه اپی انتخابی برای بهینه‌سازی V _F /I_ر تعادل

این پیشرفت‌ها امکان دستیابی به بازدهی 94٪ در کنترلر‌های شارژ MPPT را فراهم می‌کنند، علیرغم نشت 100µA در دمای 25°C (Renewable Energy Focus 2024).

تنش گرمایی کمتر ناشی از کاهش تلفات توان در مدارهای مبتنی بر شاتکی

دیودهای شاتکی در واقع حدود نصف توان دیودهای معمولی PN را تلف می‌کنند، زیرا افت ولتاژ مستقیم بسیار پایینی در حدود ۰٫۳ تا ۰٫۴ ولت دارند، برخلاف ولتاژ معمول ۰٫۷ تا ۱٫۱ ولت در دیودهای سنتی. این به چه معناست؟ تولید گرمای کمتر نیز. در جریان ۱۰ آمپری، این دیودهای شاتکی تنها بین ۳ تا ۵ وات گرما تولید می‌کنند، در حالی که دیودهای مبتنی بر سیلیکون بنا به مطالعات اخیر منتشر شده در مجله Power Electronics در سال گذشته، بین ۷ تا ۱۱ وات گرما تولید می‌کنند. از آنجا که گرمای تولید شده زیاد نیست، این قطعات می‌توانند به‌طور قابل اعتمادی حتی در دماهایی تا ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد بدون نیاز به تنظیمات عملکردی کار کنند. این ویژگی آنها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای شرایطی تبدیل می‌کند که در آن دمای داخلی جعبه‌های دربسته یا زیر کاپوت خودروها بالا می‌رود و گرمای زیاد معمولاً در طول زمان مشکلاتی ایجاد می‌کند.

فرصت‌هایی برای طراحی‌های فشرده: گرماگیرهای کوچک‌تر و چگالی توان بالاتر

با کاهش تلفات توان به میزان ۴۰ تا ۶۰ درصد، دیودهای اِشاتکی نیاز به خنک‌کننده‌های فلزی را به میزان ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش می‌دهند. بنابراین مهندسان طراح می‌توانند:

• خنک‌کننده‌های آلومینیومی را با فولاد نورد شده یا ترکیبات پلیمری سبک‌تر جایگزین کنند
• چگالی توان را در منابع تغذیه سرور از ۸ وات بر اینچ مکعب به ۱۲ وات بر اینچ مکعب افزایش دهند
• در دستگاه‌های قابل حمل با توان زیر ۱۰۰ وات از خنک‌کنندگی فعال صرف‌نظر کنند

این مزایا به حسگرهای نسل بعدی اینترنت اشیا و لوازم پوشیدنی کمک می‌کنند که در آن‌ها محدودیت فضای برد مدار چاپی (PCB) مستلزم استفاده از قطعاتی با ارتفاع کمتر از ۵ میلی‌متر است.

سوالات متداول

تلفات هدایت در دیودها چیست؟

تلفات هدایت به انرژی اتلاف‌شده به صورت گرما اشاره دارد که هنگام عبور جریان از دیود رخ می‌دهد و عمدتاً ناشی از افت ولتاژ در جهت رو در دیود است.

دیودهای اِشاتکی چگونه مصرف توان را کاهش می‌دهند؟

دیودهای اِشاتکی افت ولتاژ جهت روی کمتری نسبت به دیودهای معمولی PN دارند که منجر به کاهش تلفات انرژی در هنگام عبور جریان الکتریکی می‌شود.

کدام کاربردها از استفاده از دیودهای اِشاتکی سود می‌برند؟

دیودهای شاتکی در کاربردهای فرکانس بالا، منابع تغذیه، مبدل‌های DC-DC، الکترونیک کم‌ولتاژ، صفحات خورشیدی و سیستم‌هایی که به بازده بالا و کلیدزنی سریع نیاز دارند، مفید هستند.