Kaip Šotkio diodai leidžia pasiekti 50 % didesnį jungimo efektyvumą

Augantis reikalavimas energijos efektyvumui šiuolaikinoje elektronikoje

Energetinė efektyvumas šiuolaikinėje elektronikoje tapo pagrindiniu dėmesio centru beveik kiekvienoje pramonės šakoje. Pagalvokite: išmanieji telefonai reikalauja baterijų, kurios veiktų visą dieną, duomenų centrai nuolat ieško būdų sumažinti brangius aušinimo kaštus, o elektromobiliai turi efektyviau valdyti savo ribotą įkrovą nei anksčiau. Visa tai sukuria tikrą spaudimą inžinieriams mažinti varganus jungimo nuostolius maitinimo grandinėse. Tradiciniai PN diodai jau nebeveikia, nes jie turi vidinių problemų. Jie metraštį apie 0,7 voltų, kai teka srovė, ir jiems reikia papildomo laiko visiškai išsijungti, kas eikvoja brangią energiją. Remiantis 2023 m. IEA ataskaita, kai globalios elektroninės energijos išlaidos pasiekia beveik pusę trilijono dolerių kasmet, net nedidelės efektyvumo prieaugio nauda gali ilgainiui reikšti milžiniškus taupymus tiek didelėms, tiek mažoms įmonėms.

Pagrindinis principas: unikali Schottky diodo struktūra ir vienpolė veikla

Šotkio diodai pasiekia geresnį našumą dėka jų metalo puslaidininkio sandūros architektūros. Skirtingai nei PN diodai – kuriuose elektronų ir skylių rekombinacija sukelia vėlavimus – Šotkio prietaisai veikia vienpoline laidumu, naudodami tik daugumos krūvininkus (elektronus). Tai pašalina mažumos krūvininkų kaupimosi laiką, leidžiant:

• Atvirkštinį įtampą, kuri gali būti tokia žema kaip 0,15 V–0,45 V
• Beveik akimirksnius perjungimo momentus
• Minimalią šilumos generaciją veikimo metu
  Deplecijos sluoksnio nebuvimas leidžia tiesioginį krūvininkų perkėlimą per Šotkio barjerą, sumažinant laidumo nuostolius iki 70 % lyginant su silicio diodais (IEEE Transactions 2022).

Realus poveikis: atvejo analizė apie DC-DC keitiklius, pasiekiančius 50 % efektyvumo padidėjimą

DC-DC žeminimuose keitikliuose serverių maitinimo šaltiniams standartinių diodų pakeitimas Šotkio tipo diodais suteikia matomų pranašumų. 2023 m. tyrimas, palyginęs 12 V–5 V konvertavimo modulius, parodė:

Metrinė	Standartinis diodas	Schottky diodas	Patobulinimas
Galia yra prarasta	3,2 W	1,6 W	50%
Perjungimo vėlavimas	35 ns	<2 ns	94%
Maksimali temperatūra	78 °C	62 °C	16 °C

Šis šuolis yra dėl Schottky diodų beveik nulinio atvirkštinio atkūrimo laiko ir žemo V _F , leidžiančio aukštesnį darbo dažnį su žymiai sumažintais jungimo nuostoliais. Gautos energijos taupymo nauda atitinka 740 tūkst. JAV dolerių metinę sąnaudų mažėjimą kiekvienam 10 000 serverių diegimui (Ponemon, 2023), patvirtinant jų vaidmenį tvariuose maitinimo sprendimuose.

Žemas tiesioginio įtampos kritimo dydis ir sumažinti laidumo nuostoliai

Žemo Vf pranašumo supratimas Schottky dioduose

Šotkio diodai turi žymiai mažesnį tiesioginį įtampų kritimą lyginant su įprastais silicio diodais. VF kinta nuo apie 0,15 iki 0,45 volto, o ne tipiškų 0,7 volto, kuriuos matome su silicio diodais. Tai vyksta dėl to, kad jie veikia kitaip sandūroje tarp metalo ir puslaidininkio medžiagų, be to, veikia naudodami tik vieno tipo krūvio nešėjus. Kai reikia maitinti energiją intensyviai naudojančias sistemas, pvz., tokias, kurios keičia 48 voltus į 12 voltų, šie žemesni įtampų kritimai reiškia, kad eksplotacijos metu eilės metama mažiau energijos. Matematinė formulė taip pat yra gana paprasta: Pnuost = srovė padauginta iš įtampos kritimo. Panagrinėkime konkrečius skaičius: pakeitus standartinius silicio komponentus Šotkio diodais, stačinimo nuostoliai, tvarkant 10 amperų apkrovą, gali sumažėti nuo septynių vattų iki trijų vattų. Tai gali nuskambėti nekaip daug, kol suprasi, kad tai padidina bendrą sistemos efektyvumą maždaug 2,5 procentiniais punktais. Tokių nedidelių pokyčių nauda yra labai svarbi praktinėse aplikacijose, kur kiekvienas procentas lemia ilgesnį baterijos veikimo laiką ir žemesnę darbinę temperatūrą.

Mažinimas laidumo nuostolių maitinimo keitimo grandinėse

Beveik tiesinė įtampos ir srovės priklausomybė reiškia, kad šie komponentai veikia stabiliai net kintant temperatūrai. Jų naudojimas žeminančiuose keitikliuose ar įtampos reguliatoriuose yra ypatingai naudingas, nes maža tiesioginė įtampa sumažina įtampos kritimą ir taupo energiją, kuri kitaip būtų prarasta. Sistemoms, tvarkantiems didelę srovę, VF sumažinimas apie 10 % iš tikrųjų, pagal tyrimus srityje maitinimo puslaidininkių, lemia apie 15 % mažesnius laidumo nuostolius. Šis patobulinimas leidžia kurti tankesnius maitinimo sprendimus, gerina ilgalaikę sistemos patikimumą ir atitinka griežtus energijos naudingojo veikimo reikalavimus, su kuriais susiduria daugelis šiandienos pramonės šakų.

Beveik nulinis atstatymo laikas greitesniam jungimo darbui

Pereinamųjų nuostolių pašalinimas jungiamosiose maitinimo šaltiniuose (SMPS)

Šotkio diodai pašalina tas varganas mažumos krūvininkų kaupimo krovinius, kurie iš esmės yra didelė problema įprastiems PN sandūros diodams, todėl jų atvirkštinis atkūrimo laikas beveik lygus nuliui. Dėl to jie puikiai tinka jungimo programoms, kai poliarumas keičiasi impulsiniuose maitinimo šaltiniuose (SMPS). Kai maitinimo jungiklis išjungiamas, šie diodai nedelsiant sustabdo atvirkštinę srovę be jokio vėlavimo. Tai padeda išvengti erzinančių įtampos šuolių ir sumažina jungimo nuostolius apie 40 procentų aukšto dažnio nuolatinės srovės keitikliuose. Sistemos, naudojančios Šotkio diodus, paprastai veikia šaldžiau ir visuminėje darbo geriau. Per metus daugelis inžinierių pastebėjo šį patobulinimą savo projektuose.

Šotkio ir PN sandūros diodai: geresnis greitis aukšto dažnio programose

PN diodai veikdami praleidžia papildomą laiką, tvarkydami kaupiamus krūvius, tuo tarpu Šotkio diodai veikia kitaip – remiasi greitu elektronų judėjimu. Tai leidžia žymiai greitesnes perėjimo operacijas, kartais viršijant 100 kHz be tų erzinančių energijos nuostolių dėl atkūrimo laikotarpių. Veikdami apie 50 kHz, tipiniai PN diodai iš tikrųjų švaisto nuo 5 iki 10 procentų energijos dėl atvirkštinio atkūrimo problemos. Tuo tarpu Šotkio diodai išlaiko daugiau nei 95 procentų efektyvumo net ir prie tokių pačių dažnių. Dėl savo greito atsakymo šie diodai tapo būtinais komponentais serverių maitinimo šaltiniuose bei elektromobilių įkrovimo stotelių sistemose, kur dažniai dažnai viršija 200 kHz. Skirtumas greičiuose yra labai svarbus dirbant su aukšto dažnio operacijomis.

Pagrindinės taikymo sritys energijos jautrioje ir nešiojamose elektronikos priemonėse

Baterijomis maitinamų įrenginių ir impulsinių maitinimo šaltinių (SMPS) optimizavimas naudojant Šotkio diodus

Šotkio diodai labai padidina efektyvumą įrenginiuose, kuriems svarbus energijos suvartojimas, nes jie pasižymi mažu tiesioginiu įtampų kritimu ir beveik nulinio atvirkštinio atkūrimo laiko. Kai žiūrime į tokias sistemas kaip išmanieji laikrodžiai ar aplinkos jutikliai, šie diodai sumažina enerģijos švaistymą keičiant maitinimą, dėl to baterijos ilgiau išlaiko įkrovą tarp įkrovimų. Paimkime mažus telefonų įkroviklius ir jungiamosios maitinimo schemos pavyzdžiui. Kadangi Šotkio diodai nekaupia mažumos krūvininkų, aukšto dažnio greituose jungimo cikluose prarandama mažiau energijos. Tai užtikrina maksimalų efektyvumą ir bendrą mažesnį šilumos išsiskyrimą. Šis privalumas yra itin svarbus gaminams, kuriuose erdvė yra ribota. Tradiciniai komponentai tiesiog negali susidoroti su šilumos sklaida tokiose ankštose vietose, todėl Šotkio diodai tapo praktiškai nepakeičiami moderniuose kompaktiniuose elektronikos projektavimuose.

Kita kartos medžiagos: Silicio karbidas (SiC) Šotkio diodai

Vis didesnis SiC Šotkio diodų naudojimas dėl išskirtinio efektyvumo ir šiluminės veikos

Silicio karbido (SiC) Šotkio diodai siūlo daug privalumų, palyginti su tradiciniais silicio atitikmenimis. Dėl medžiagos platumos prožiūros juostos galima pasiekti žymiai didesnį pramušimo įtampą, daugeliu atvejų siekiantį apie 1700 voltų. Be to, šios komponentės dėl puikių šilumos laidumo savybių labai gerai atlaiko aukštą temperatūrą, todėl gali veikti net tada, kai temperatūra viršija 200 laipsnių Celsijaus. Tai reiškia, kad inžinieriams nereikia jaudintis dėl sudėtingų aušinimo sistemų kompaktiškuose maitinimo elektronikos projektavimuose. Tačiau tai, kas tikrai išskiria SiC, yra beveik neegzistuojantis atvirkštinio atkūrimo laikas. Perjungiant aukštomis dažniais, ši savybė sumažina tuos varginančius energijos nuostolius, kurie kankina įprastus diodus. Būtent todėl vis daugiau gamintojų naudoja SiC technologiją tokioms sistemoms kaip elektromobilių įkrovimo sistemos ir automatizuota gamyklinė įranga, kur kiekvienas sutaupytas efektyvumo procentas verslui reiškia realią finansinę naudą.

Pažangiųjų Šotkio diodų strateginis integravimas būsimose energijos sistemose

Šiuolaikinės energijos sistemos pradeda vis dažniau integruoti SiC Šotkio diodus kartu su MOSFET tranzistoriais tų pačių dienų moduliuose, kurie yra supakuoti kartu. Tokia konfigūracija sumažina erzinančias parazitines induktyvumus ir žymiai padidina galios tankį, kas yra itin svarbu saulės energijos keitikliams bei dideliems duomenų centrų maitinimo šaltiniams. Mažėjant komponentų matmenims, šios SiC sprendimai vis dažniau pasitaiko ne tik nešiojamuosiuose įrenginiuose, bet ir IoT jutikliuose. Galų gale, kai kiekviename kubiniame milimetruje kompaktiškuose įrenginiuose svarbus kiekvienas efektyvumo procentas, maksimalus našumas tampa absoliučiai būtinas. Ateityje akivaizdu, kad silicio karbido technologija bus pagrindinis veiksnys besivystančiose išmaniųjų tinklų sistemose ir platesniame pramonės elektrifikavime.

DUK

Kas yra Šotkio diodai?

Šotkio diodai yra puslaidininkiniai prietaisai, kurie pasižymi žemu tiesioginiu įtampų kritimu ir greitu perjungimu lyginant su tradiciniais PN diodais.

Kaip Šotkio diodai padidina efektyvumą?

Jie padidina efektyvumą sumažindami galios nuostolius dėl minimalaus įtampų kritimo ir pašalindami atvirkštinio atkūrimo laiką, dėl ko perjungimas tampa greitesnis ir efektyvesnis.

Kur dažniausiai naudojami Šotkio diodai?

Šotkio diodai dažnai naudojami energijos jautrioje ir nešiojamose elektronikos priemonėse, tokiomis kaip išmanieji telefonai, išmanieji laikrodžiai, impulsiniai maitinimo šaltiniai ir elektromobilių krūvintuvai.

Kokias privalumus siūlo SiC Šotkio diodai?

Silicio karbido (SiC) Šotkio diodai siūlo privalumus, tokį kaip geresnis šiluminis našumas, didesnis pramušimo įtampis ir minimalus atvirkštinio atkūrimo laikas.