Laidumo nuostolių mažinimas dėl žemo tiesioginio įtampos kritimo

Energijos nuostolių supratimas tradiciniuose PN sandūros dioduose

Standartiniai PN sandūros diodai paprastai turi tiesioginį įtampų kritimą nuo apie 0,6 iki 1,0 voltų, dėl ko didelėms srovėms tvarkant prarandama gana daug energijos. Paimkime, pavyzdžiui, įprastą silicio diodą, kurio įtampos kritimas yra apie 0,7 voltų. Esant 10 amperų srovei, tai reiškia, kad tik šilumai prarandama maždaug 7 vatų. Pagal 2023 m. „TrrSemicon“ paskelbtus tyrimus, tokios rūšies nuostoliai tam tikrose 48 voltų energijos sistemose gali sudaryti net beveik trečdalį visų galios nuostolių. Problema dar labiau pablogėja dėl to, kad šie nuostoliai atsiranda elektronams ir skylėms nuolat rekombinuojantis pačioje PN sandūroje. Ypač blogos naujienos tai sukelia žemesniu įtampa veikiančioms grandinėms, nes net nedidelis įtampos sumažėjimas per komponentus gali rimtai sumažinti bendrą sistemos efektyvumą.

Kaip Šotkio diodai sumažina laidumo nuostolius dėl mažesnio tiesioginio įtampų kritimo

Šotkio diodai veikia su metalo puslaidininkio sandūromis ir gali pasiekti tiesioginį įtampą iki maždaug 0,3 voltų. Iš tikrųjų tai apie 57 procentais mažiau nei įprastų PN diodų atveju. Žemesnė įtampa reiškia, kad mažiau energijos prarandama, kai jie laiduoja elektros srovę. Praėjusiais metais atliktas tyrimas, kuriame buvo tiriama įvairių komponentų efektyvumas, parodė gana įspūdingus rezultatus. Kai inžinieriai DC-DC keitikliuose pakeitė silicio diodus į Šotkio diodus, tiesioginio srovės lyginimo metu nuostoliai sumažėjo beveik 58 procentais. Kitas svarbus privalumas yra tas, kad šie diodai nekaupia mažumos krūvininkų, todėl perjungiant būsenas nekyla atvirkštinės atkūrimo nuostolių. Dėl to jie ypač naudingi taikymuose, kuriuose reikia greito perjungimo.

Įtaka galios sklaida ir šilumos generavimui grandinės projektavime

Šotkio diodai suvartoja mažiau energijos, o tai reiškia, kad jie išskiria mažiau šilumos. Šis sumažėjimas sumažina šilumos galvų naudojimo poreikį apie 40 %, palyginti su tradiciniais PN diodų sprendimais. Automobilių taikymui ypač būdinga, kad 5 amperų apkrovoje sandūros temperatūra sumažėja apie 15 laipsnių Celsijaus, dėl ko šie komponentai ilgiau tarnauja transporto priemonių sistemose. Šiluminės pranašumai taip pat suteikia inžinieriams daugiau lankstumo projektuoti mažesnius maitinimo šaltinius, kurie vis dar pasiekia efektyvumą daugiau nei 90 %, nereikalingi ventiliatoriai ar kiti aktyvūs aušinimo būdai.

Efektyvumo padidėjimo kiekybinis įvertinimas: Šotkio ir PN diodų palyginimas realiose grandinėse

Tyrimai rodo, kad Šotkio diodai gali padidinti sistemos efektyvumą nuo 2,5 iki 4 procentų 12 voltų linijos taikymuose, palyginti su tais varganais ultra greitais PN diodais. Paimkime standartinį 100 vatų maitinimo šaltinį – naudodamas Šotkio lygintuvus jis veikia apie 93 procentų efektyvumu, o silicio diodai pasiekia tik apie 89 procentus. Tai reiškia maždaug 15,6 kilovatvalandžių sutaupymą per metus, jei įrenginys veiktų nepertraukiamai. Dėl didesnių nei 100 kilohercų dažnių sistemų situacija dar pagerėja. Tradiciniai diodai pradeda prarasti savo pranašumą čia, nes tiek jungimo, tiek laidumo nuostoliai smarkiai didėja, todėl jie tampa mažiau tinkami šiems reikalaujantiems taikymams.

Atvejo studija: Pagerintas efektyvumas maitinimo šaltiniuose ir DC-DC keitikliuose

Telekomunikacijų infrastruktūros atnaujinime 48 V tiesinimo moduliai, kuriuose naudojami Šotkio diodai, pasiekė 96 % efektyvumą – 3,2 taškų daugiau nei ankstesniuose projektuose. 0,32 V tiesioginis įtampis leido magnetus padaryti 22 % mažesnius ir pašalinti priverstinį oru aušinimą 300 W blokuose, kas sumažino metines energijos sąnaudas po $18 000 kiekviename mazge, išlaikant 99,9 % veikimo laiką 5G baziniuose stotyse.

Perjungimo nuostolių mažinimas dėka greito atkūrimo savybių

Greito perjungimo spartos vaidmuo perjungimo nuostolių mažinime aukšto dažnio sąlygomis

Šotkio diodai turi labai trumpus atvirkštinio atkūrimo laikus, paprastai mažesnius nei 100 nanosekundžių. Tai apie 50–100 kartų greičiau nei įprasti PN diodai. Dėl šio greičio jie praranda daug mažiau energijos, kai įtampa staigiai keičiasi. Greitas reakcijos laikas reiškia, kad diodas beveik iš karto nustato laidumą, kai poliarumas pakeičia kryptį. Tyrimai parodo, kad tai gali sumažinti laikinus energijos nuostolius apie 30 procentų DC-DC keitikliuose, veikiančiuose su dažniais virš 100 kHz. Daugelis tyrimų apie jungiamuosius maitinimo šaltinius tai patvirtina, nors tikslūs skaičiai kinta priklausomai nuo konkretaus taikymo.

Našumo palyginimas su lėtai atkuriančiais PN diodais PWM ir SMPS taikymuose

Kalbant apie PWM variklių valdiklius, Šotkio diodai iš tikrųjų sumažina perjungimo nuostolius maždaug 40 %, palyginti su senomis lėtai atkuriančiomis PN diodomis. 2023 metų naujausi tyrimai, skirti žeminantiems keitikliams, atskleidė kažką įdomaus – naudojant Šotkio diodus, šios sistemos pasiekia efektyvumo viršūnę apie 92 %, tuo tarpu PN versijos pasiekia tik apie 85 %. Ir dar: skirtumas tarp jų dar labiau didėja, kai kalba pasisuka apie dažnius virš 500 kHz. Ši greito veikimo savybė daro juos ypač naudingus telekomunikacijų energijos sistemose, kur yra labai svarbu išlaikyti tikslų įtampos reguliavimą. Pagalvokite apie mobiliųjų ryšių bokštus, kuriems reikia stabilios maitinimo tiekos be svyravimų, galinčių sugadinti signalo kokybę.

Vis didesnis naudojimas jungiamosios rūšies maitinimo šaltiniuose dėl efektyvumo reikalavimų

Dėl tokių pasaulinių energijos reglamentų kaip ES Lot 9, Šotkio diodai šiuo metu naudojami 68 % mažesnių nei 1 kW impulsinių maitinimo šaltinių konstrukcijų. „Verified Market Research“ prognozuoja 25 % metinį augimo tempą (CAGR) aukšto greičio diodams atsinaujinančios energijos sistemose iki 2028 m., nes gamintojai savo kompaktiškoms, beventilėms adapterių konstrukcijoms kuria pasitelkdami jų pranašesnę šiluminę našumą.

Leidžia kurti energiją taupančias žemos įtampos ir baterijomis maitinamas sistemas

Įtampos rezervo iššūkiai šiuolaikinėje žemos įtampos elektronikoje

Kai elektronika pradeda veikti esant žemesniems įtampoms, tokioms kaip 1,8 V ir 3,3 V, senoviški PN diodai tampa problematiški, nes jie „sunaudoja“ apie 0,7 V tik ramiai sėdėdami. Šotkio (Schottky) diodai šią problemą išsprendžia gana gerai, išsaugodami nuo 30 iki 50 procentų to brangaus įtampos diapazono, kadangi jų tiesioginė įtampa yra artimesnė 0,3 V. Skirtumas tampa labai svarbus, kai baterijos išsikrauna. Tokioms sistemoms kaip širdies stimuliatoriai ar kiti implantuojami medicininiai įrenginiai net menkiausi pokyčiai turi reikšmės. Tyrimai rodo, kad jei įtampa svyruoja daugiau nei 1 %, tai jau pradeda trukdyti tiksliai skaityti duomenims apie tai, kas iš tikrųjų vyksta organizme. Toks tikslumas nėra tiesiog pageidautinas – jis būtinas patikimam paciento stebėjimui.

Perkelių įrenginių našumo optimizavimas naudojant Šotkio tiesinimą

Dėl Šotkio diodų mažo tiesioginio įtampų kritimo ir greito perjungimo savybių, jie sumažina lyginimo nuostolius nešiojamuosiuose įrenginiuose apie 40 %. Pagal 2022 m. paskelbtus tyrimus dėl energijos naudojimo efektyvumo, išmanieji telefonai, kurie savo įkrovimo grandinėse naudoja šiuos diodus, pasiekia įspūdingą 94 % energijos konvertavimo efektyvumą, tuo tarpu tradiciniai PN diodai pasiekia tik apie 86 %. Ką tai reiškia vartotojams? Plonesni telefonai be erzinančių atskleistų šilumos sklaidytuvų, vis dar užtikrinant stiprų procesorių veikimą net tuomet, kai atliekami intensyvūs veiksmai, tokie kaip srautinis vaizdo perdavimas per 5G tinklus arba grafiką reikalaujančių programėlių naudojimas.

Konstrukcijos strategijos, skirtos maksimaliai pailginti baterijos tarnavimo laiką su Šotkio diodais

Norėdami pailginti baterijos veikimo trukmę, inžinieriai taiko tris pagrindines strategijas:

1. Pasirinkti diodus su <0,4 V tiesiogine įtampa esant darbo srovėms
2. Suderinti atvirkštinės srovės nutekėjimą (<100 µA) su perjungimo dažnio poreikiais
3. Įgyvendinti darbo ciklo valdymą galios ribojamose grandinėse

Lauko tyrimai parodo, kad šie metodai padidina litio jonų baterijų tarnavimo laiką 15–20 % pramoniniuose PDA, pabrėžiant Schottky diodų vaidmenį energijos ribotose aplinkose.

Elektros energijos konvertavimo ir atsinaujinančios energijos taikymo gerinimas

Veiksminga kintamosios srovės ir nuolatinės srovės tiesinimas kintamosios į nuolatinę bei nuolatinės į nuolatinę srovės konvertavimo topologijose

Schottky diodai padidina našumą tiek kintamosios į nuolatinę, tiek nuolatinės į nuolatinę srovės maitinimo sistemose, nes sumažina tas varganas įtampos kritimo vertes, vykstant elektros energijos konvertavimui. Tyrimai naujesniems keitiklio dizainams rodo, kad šie diodai gali padaryti sistemą apie 12–15 procentų efektyvesnę, lyginant su įprastais PN sandūros diodais, ypač pastebima žeminančiose/aukštinančiose konfigūracijose, veikiančiose dažniu virš 100 kHz, kaip neseniai paskelbta IntechOpen 2024 metais. Jų didelį efektyvumą lemia mažas tiesioginės įtampos kritimas – apie 0,3–0,4 voltų, net esant didelėms srovėms iki 10 amperų, kas reiškia mažesnę sunaudotos energijos gaištą visoje įtampos konvertavimo eigoje.

Atvirkštinės srovės prevencija saulės baterijose: Šotkio diodai fotovoltiniuose tinkluose

Saulės baterijų masyvuose Šotkio diodai blokuoja atvirkštinę srovę mažo apšvietimo sąlygomis, sumažindami naktinę energijos praradimą iki 72 % lyginant su neapsaugotomis sistemomis. Jų greitas reagavimas (<50 ns) į pavėsėjimą apsaugo elementus nuo karščio taškų atsiradimo, išlaikant 98,5 % kasdienės energijos išvesties (Solar Energy Journal 2023).

Šotkio diodų naudojimas kaip apėjimo diodų saulės elementų masyvuose

Kai integruojami kaip apėjimo diodai 60 elementų moduliuose, Šotkio diodų tipai sumažina galios praradimą dėl dalinio pavėsėjimo 40–60 %. Jų žema šiluminė varža (1,5 °C/W) leidžia tolydžiai veikti 85 °C aplinkos temperatūroje be galios mažinimo, todėl jie yra idealūs naudoti stambiuose energijos tiekimo sistemose, kur ilgalaikė patikimumas svarbesnis už nedidelį atvirkštinės srovės nutekėjimo padidėjimą.

Efektyvumo padidėjimo ir atvirkštinės srovės nutekėjimo kompromisas

Nors Šotkio diodų atvirkštinė srovės nutekėjimas yra 2–5 kartus didesnis nei silicio diodų, šiuolaikiniai konstrukciniai sprendimai tai sumažina per:

• Temperatūra kompensuota barjerų konstrukcija (-0,02 mV/°C koeficientas)
• Apsaugos žiedų struktūros, kurios kraštinės nutekėjimą sumažina 80 %
• Pasirinktinis epiluoksnio legiravimas, siekiant optimizuoti V _F /I_R išlikimas

Šios naujovės leidžia pasiekti 94 % sistemos efektyvumą MPPT krūvio valdikliuose, nepaisant 100 µA nutekėjimo esant 25 °C (Renewable Energy Focus 2024).

Mažesnis terminis stresas dėl sumažėjusios galios nuostolių Schotkio diodų grandinėse

Šotkio diodai iš tikrųjų sunaudoja apie pusę mažiau energijos nei įprasti PN diodai, nes jų atvirkštinis įtampų kritimas yra labai žemas – apie 0,3–0,4 voltų, o ne įprastas 0,7–1,1 voltų diapazonas, būdingas tradicinėms schemoms. Ką tai reiškia? Taip pat mažiau šilumos išsiskiria. Esant 10 A srovės tekėjimui, šie Šotkio diodai generuoja tik 3–5 vatų šilumos, tuo tarpu silicio diodai pagal praėjusiais metais „Power Electronics Journal“ paskelbtus tyrimus išskiria nuo 7 iki 11 vatų šilumos. Kadangi šilumos kaupimasis yra mažesnis, šie komponentai gali patikimai veikti net esant temperatūrai iki 125 laipsnių Celsijaus be jokių našumo koregavimų. Tai juos daro idealiais sprendimais situacijoms, kai karšta viduje uždarytuose korpusuose ar automobilių variklių dangtų apačioje, kur pernelyg didelė šiluma ilgainiui paprastai sukelia problemas.

Galimybės kompaktiškoms konstrukcijoms: mažesni šilumos sklaidytuvai ir didesnis galios tankis

Sumažinus galios nuostolius 40–60 %, Šotkio diodai DC-DC keitikliuose sumažina šilumos atidavimo radiatorių masės reikalavimus 30–50 %. Konstruktoriai todėl gali:

• Pakeisti aliuminio šilumos atidavimo radiatorius lengvesniais išspaudais iš plieno arba polimerinėmis kompozitomis
• Padidinti galios tankį iš 8 W/u³ iki 12 W/u³ serverių maitinimo šaltiniuose
• Pašalinti aktyvų aušinimą neviršijančiuose 100 W nešiojamuosiuose įrenginiuose

Šios privalumos palaiko naujos kartos IoT jutiklius ir nešiojamuosius įrenginius, kuriuose spausdintinės plokštės vietos apribojimai reikalauja komponentų, kurių aukštis mažesnis nei 5 mm.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kas yra laidumo nuostoliai dioduose?

Laidumo nuostoliai – tai šiluma prarandama energija, kai diodas praleidžia srovę, daugiausia dėl tiesioginio įtampos kritimo per diodą.

Kaip Šotkio diodai sumažina energijos suvartojimą?

Šotkio diodai turi mažesnį tiesioginį įtampos kritimą, palyginti su tradiciniais PN sandūros diodais, todėl mažiau prarandama energijos, kai teka elektros srovė.

Kuriose srityse naudinga naudoti Šotkio diodus?

Šotkio diodai naudingi aukšto dažnio taikymuose, maitinimo šaltiniuose, nuolatinės srovės keitikliuose, žemos įtampos elektronikoje, saulės baterijose ir sistemose, reikalaujančiose didelės efektyvumo ir greito jungimo.