افت ولتاژ پیش‌روی کم: افزایش بازدهی در منابع تغذیه با ولتاژ پایین

فیزیک هدایت سد شاتکی و کاهش V _F

دیودهای شاتکی به‌صورت متفاوتی کار می‌کنند، زیرا آنها اتصال فلز-نیمه‌هادی را تشکیل می‌دهند نه اتصال p-n معمولی که در دیودهای معمولی یافت می‌شود. این بدان معناست که نیازی به تزریق حاملان اقلیت وجود ندارد؛ بنابراین اتلاف‌های ناشی از ناپدیدشدن حاملان در لایه تخلیه (depletion layer) که در روش‌های سنتی مشاهده می‌شوند، حذف می‌گردند. نتیجه چیست؟ هدایت توسط حاملان اکثریت با پتانسیل سد بسیار پایین‌تری انجام می‌شود. به‌عنوان مثال: حدود ۰٫۱۵ ولت تا ۰٫۴۵ ولت، در حالی که دیودهای سیلیکونی معمولی به بین ۰٫۷ تا ۱٫۱ ولت نیاز دارند. الکترون‌ها مستقیماً از ماده نیمه‌هادی نوع n وارد تماس فلزی می‌شوند، بنابراین تقریباً هیچ انرژی‌ای در این فرآیند هدر نمی‌رود. به‌ویژه در منابع تغذیه ۵ ولتی، این دیودهای شاتکی می‌توانند افت ولتاژ در حالت روشن (forward voltage drop) را نسبت به گزینه‌های مرسوم تا ۶۰ تا ۸۰ درصد کاهش دهند. این کاهش تأثیر واقعی دارد، زیرا اتلاف‌های هدایتی معمولاً در شرایط ولتاژ پایین و جریان بالا بیشترین مشکل را ایجاد می‌کنند.

افزایش کارایی اندازه‌گیری‌شده: ۲ تا ۵ درصد در مبدل‌های DC-DC با ولتاژ ۳٫۳ ولت/۵ ولت

مقایسه مستقل مبدل‌های کاهنده همگام (synchronous buck) نشان می‌دهد که جایگزینی دیودهای شاتکی به جای یکسوکننده‌های سیلیکونی، بهبودهای پایدار در سطح سیستم از نظر کارایی را تضمین می‌کند. مطالعات متعدد انجام‌شده در سال ۲۰۲۳ روی طراحی‌های صنعتی و سروری، افزایش کارایی ۲ تا ۵ درصدی را نشان می‌دهند — به‌ویژه در خروجی‌های ۳٫۳ ولت و ۵ ولت که اتلاف‌های هدایتی عکس‌النسبی با ولتاژ تغییر می‌کنند. در جریان خروجی ۲۰ آمپر، نتایج نماینده عبارتند از:

این بهبودها به‌طور مستقیم مدیریت حرارتی را در کاربردهای فشرده از نظر فضایی — از جمله ماژول‌های تغذیه سرور، واحدهای کنترل الکترونیکی خودرو (ECU) و الکترونیک قابل حمل — تسهیل می‌کنند؛ جایی که هر وات صرفه‌جویی‌شده عمر باتری را بر اساس مطالعات میدانی اخیر ۱۵ تا ۲۰ درصد افزایش می‌دهد.

سوئیچینگ فوق‌سریع: امکان‌پذیرسازی طراحی‌های SMPS با فرکانس بالا و ابعاد فشرده

عدم ذخیره‌سازی حاملان اقلیت و بازیابی معکوس زیر نانوثانیه

دیودهای شاتکی به‌صورت متفاوتی نسبت به دیودهای معمولی عمل می‌کنند، زیرا در حین هدایت تنها از حاملان اکثریت استفاده می‌کنند. این امر در عمل بدین معناست که تأخیر ذخیره‌سازی مربوط به حاملان اقلیت وجود ندارد. و این دقیقاً تفاوت اصلی را در مورد آن پیک‌های آزاردهنده جریان بازیابی معکوس ایجاد می‌کند که در واقع سردرد بزرگی برای دیودهای اتصال PN محسوب می‌شوند. زمان بازیابی معکوس در اینجا به‌طور قابل‌توجهی زیر ۱ نانوثانیه کاهش می‌یابد؛ بنابراین این دیودها حتی در فرکانس‌های چند مگاهرتزی نیز می‌توانند به‌صورت تمیز خاموش شوند. به‌عنوان مثال، در تنظیم‌کننده‌های کاهنده (Buck) که در محدوده فرکانسی حدود ۵۰۰ کیلوهرتز کار می‌کنند، حدود ۲ تا ۵ درصد کاهش در تلفات سوئیچینگ نسبت به آن جایگزین‌های پیشرفته سیلیکونی فوق‌سریع مشاهده می‌شود. مطالعه‌ای که سال گذشته توسط مجله بین‌المللی الکترونیک قدرت منتشر شده است، این ادعا را تأیید می‌کند. تمام این بهبودها منجر به کاهش تداخل الکترومغناطیسی، خنک‌تر کار کردن اجزا و قابلیت‌های بهتر در جمع‌بندی توان می‌شوند. این مزایا در شرایطی که مدیریت حرارت دشوار است یا محدودیت‌های فضایی، راه‌حل‌های توان فشرده را الزامی می‌سازند، اهمیت بسیار زیادی دارند.

پشتیبانی از عملکرد بیش از ۱ مگاهرتز با طبقه‌های توان نیترید گالیوم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC)

ترانزیستورهای ساخته‌شده از نیترید گالیوم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) امروزه می‌توانند فرکانس‌های بسیار بالاتر از ۱ مگاهرتز را تحمل کنند. اما آنچه واقعاً بر عملکرد آن‌ها تأثیرگذار است، سرعت کارکرد دیودهای یکسوکننده است. دیودهای شاتکی که در اینجا به‌کار می‌بریم — به‌ویژه انواع مبتنی بر کاربید سیلیکون — زمان بازیابی‌شان در حد کسری از نانوثانیه اندازه‌گیری می‌شود. این دیودها تقریباً به‌طور کامل با نقاط سوئیچینگ دستگاه‌های GaN و SiC هم‌راستا می‌شوند. وقتی این اتفاق می‌افتد، پرش‌های ناخواسته ولتاژ که در هنگام تغییر حالت مدارها رخ می‌دهند، جلوگیری می‌شوند. در طراحی‌هایی که در چند مگاهرتز کار می‌کنند، مشاهده شده است که تداخل الکترومغناطیسی حدود ۱۵ دسی‌بل کاهش یافته است. و مزیت دیگری نیز وجود دارد: سوئیچینگ سریع‌تر به معنای ترانسفورماتورها و القاگرها با ابعاد کوچک‌تر است. این اجزا می‌توانند نسبت به سیستم‌های سنتی ۱۰۰ کیلوهرتزی بیش از ۶۰ درصد کوچک‌تر شوند. به‌همین دلیل است که مهندسان به‌شدت به دیودهای شاتکی برای منابع تغذیه فشرده متکی هستند که بیش از ۱ کیلووات توان را در یک فضای بسیار کوچک — به‌قدری کوچک که در رک سرور یا ایستگاه شارژ خودروهای الکتریکی (EV) جای گیرد — جای‌دهی می‌کنند، در حالی که همچنان اعداد بازدهی خوب و عملکرد قابل‌اطمینانی را حفظ می‌کنند.

کاربردهای حیاتی: تصحیح و آزاد‌روی در منابع تغذیه مدرن (PSUها)

تصحیح هم‌زمان، ادغام منابع تغذیه (OR-ing) و نقش مدارهای قفل‌کننده (Clamp)

دیودهای شاتکی سه عملکرد ضروری در واحدهای منبع تغذیه (PSUها) را ایفا می‌کنند:

• یکسوسازی سنکرون : در سمت ثانویه مبدل‌های DC-DC، افت ولتاژ پیش‌روندهٔ پایین آن‌ها (۰٫۳ تا ۰٫۵ ولت) انرژی را بازیابی می‌کند که در غیر این صورت به‌صورت گرما اتلاف می‌شود — و این امر بازدهی را در PSUهای سرور ۴۸ ولتی تا ۴٪ افزایش می‌دهد.
• ادغام منابع تغذیه (OR-ing) : سوئیچینگ سریع آن‌ها در حالت خرابی (failover)، ریل‌های تغذیه اصلی و پشتیبان را از یکدیگر جدا می‌سازد و جریان معکوس مخرب را در سیستم‌های پایدار (redundant) جلوگیری می‌کند.
• مدارهای قفل‌کننده (Clamp) : در توپولوژی‌های فلای‌بک (flyback) و رزونانس (resonant)، دیودهای شاتکی نوسانات سوئیچینگ را در عرض چند نانوثانیه هدایت کرده و انرژی پالس‌های ناگهانی را به‌طور ایمن جذب می‌کنند که این انرژی می‌تواند از ۲۰۰ میلی‌ژول بیشتر باشد.

با هم، این سه عملکرد امکان دستیابی به بازدهی بیش از ۹۴٪ را در PSUهایی فشرده و با قابلیت اطمینان بالا فراهم می‌کنند و در عین حال در برابر رویدادهای فاجعه‌بار اضافه‌ولتاژ محافظت می‌کنند.

جبران‌های طراحی: تعادل بین عملکرد و محدودیت‌های دیودهای شاتکی

تعادل بین نشت معکوس و ولتاژ رو به جلو در دمای بالا

آنچه باعث می‌شود این اجزا افت ولتاژ در جهت رو به جلو بسیار پایینی (معمولاً بین ۰٫۱۵ ولت تا ۰٫۴۵ ولت) داشته باشند، همراه با یک جبران‌کننده در زمینه جریان نشت معکوس (IR) است که به‌ویژه در دماهای بالاتر کاری قابل توجه می‌باشد. عامل اصلی این پدیده، انتشار حرارتی الکترون‌ها در رابط فلز-نیمه‌هادی است. هنگامی که دمای اتصال افزایش می‌یابد — مثلاً تا حدود ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد — جریان نشت نسبت به شرایط دمای محیطی به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. در آن نقطه، جریان نشت می‌تواند بیش از هزار برابر بیشتر از مقدار مشاهده‌شده در دمای محیط عادی باشد. با این حال، ولتاژ رو به جلو تقریباً ثابت باقی می‌ماند؛ بنابراین مهندسان باید به این افزایش تدریجی جریان نشت معکوس توجه ویژه‌ای داشته باشند، چرا که این جریان ممکن است منبع اصلی اتلاف توان در طراحی‌های آن‌ها قرار گیرد. اگر این پدیده بدون کنترل باقی بماند، ممکن است در آینده به مشکلات جدی گرمایی منجر شود. هر کسی که روی سیستم‌های خودروها، تجهیزات اتوماسیون کارخانه‌ای یا مراکز داده کار می‌کند، باید حتماً روند رشد نمایی این جریان نشت را هم در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و هم در آزمایش‌های نمونه‌های اولیه در شرایط واقعی در نظر بگیرد.

محدودیت‌های نرخ ولتاژ و بهترین روش‌های کاهش ظرفیت

دیودهای شاتکی از نظر اساسی در حداکثر ولتاژ معکوس (V _RRM ) محدود هستند—بیشتر دستگاه‌های تجاری به دلیل محدودیت‌های ارتفاع سد انرژی، زیر ۲۰۰ ولت قرار می‌گیرند. عبور از V _RRM خطر شکست آوالانش و خرابی غیرقابل بازگشت را به همراه دارد. بنابراین کاهش ظرفیت استراتژیک اجباری است:

• کاربرد صنعتی استاندارد : دیودهایی با رتبه‌بندی حداقل ۲۰٪ بالاتر از حداکثر ولتاژ سیستم انتخاب شوند
• کاربردهای پرقابلیت اطمینان (پزشکی، نظامی، هوافضایی): حاشیه‌های کاهش ظرفیت ۴۰ تا ۵۰ درصد اعمال شود
• سیستم‌های دارای گذراگرهاي پویا : همراه‌سازی با سوپرسورهای ولتاژ گذرا (TVS) برای نوسانات بیش از ۱۰۰ نانوثانیه

کاهش حرارتی نیز به همان میزان حیاتی است—V _RRM تحمل ولتاژ با نزدیک شدن دمای اتصال به ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. مدل‌سازی دقیق ضریب دمایی در طول طراحی برد مدار چاپی (PCB) و طراحی حرارتی، از شکست غیرمنتظره در مراحل توان با چگالی بالا جلوگیری می‌کند.