Žemas įtampos kritimas tiesiajam srovės kryptyje: naudingumo padidėjimas žemo įtampos maitinimo šaltiniuose

Šoto barjero laidumo fizika ir sumažinta V _F

Šoto diodai veikia kitaip, nes jie sukuria metalo–puslaidininkio sandūrą vietoj įprastos p–n sandūros, būdingos įprastiniams diodams. Tai reiškia, kad nereikia mažumos krūvininkų injekcijos, todėl pašalinami tie nepatogūs išsekimo sluoksnio rekombinacijos nuostoliai, kurie būdingi tradicinėms schemoms. Rezultatas? Pagrindinės krūvininkų laidumo sąlygos pasiekiamos žymiai mažesniu barjero potencialu. Pagalvokite apie tai: tik apie 0,15–0,45 V, tuo tarpu standartiniai kremnijiniai diodai reikalauja 0,7–1,1 V. Elektronai tiesiog teka iš n tipo puslaidininkio medžiagos tiesiai į metalinį kontaktą, todėl šiame procese beveik nesunaudojama energijos. Konkrečiai nagrinėjant 5 V maitinimo šaltinius, šie Šoto diodai gali sumažinti įprastinį įtampų kritimą nuo 60 iki 80 procentų lyginant su įprastinėmis alternatyvomis. Tai turi tikrą reikšmę, nes laidumo nuostoliai dažniausiai labiausiai kelia problemų dirbant su žemomis įtampomis ir aukštais srovės lygiais.

Išmatuoti naudingumo padidėjimai: 2–5 % 3,3 V / 5 V nuolatinės srovės įtampų keitikliuose

Nepriklausomas sinchroninių žemėjančiųjų keitiklių patikrinimas patvirtina nuolatinius sistemos lygio naudingumo pagerėjimus, kai šotkio diodai pakeičia silicio lygintuvus. Kelios 2023 m. pramoninėse ir serverių klasės konstrukcijose atliktos studijos parodė naudingumo padidėjimą 2–5 % – ypač ryškų 3,3 V ir 5 V išėjimo įtampose, kur laidymo nuostoliai keičiasi atvirkščiai proporcingai įtampai. Esant 20 A išėjimo srovei, tipiški rezultatai yra:

Šie pagerėjimai tiesiogiai palengvina šilumos valdymą erdvėje ribotose aplikacijose – įskaitant serverių maitinimo modulius, automobilių elektronines valdymo vienetus (ECU) ir nešiojamąsias elektronikos prietaisus – kur kiekvienas taupytas vatas pratęsia baterijos tarnavimo laiką 15–20 %, kaip rodo naujausios praktinės atvejo analizės.

Ultra greitas jungimas: leidžia aukšto dažnio, kompaktiškas SMPS konstrukcijas

Nulinis mažiausiai judriųjų krūvininkų kaupimas ir subnanosekundės atstatymo laikas

Šoto diodai veikia kitaip nei įprasti diodai, nes laidumo metu jie naudoja tik daugumos krūvininkus. Tai praktiškai reiškia, kad neatsiranda laukimo dels, susijusios su mažumos krūvininkais. Būtent tai lemia visą skirtumą, kai kalbama apie nepatogius atvirkštinės atsigavimo srovės smūgius, kurie iš esmės yra didelė bėda PN-jungties diodams. Šiuose dioduose atvirkštinės atsigavimo trukmė sumažėja žymiai mažiau nei 1 nanosekundė, todėl jie gali išsijungti švariai net veikdami kelias megahercų dažnio juostoje. Pavyzdžiui, buck reguliatoriuose, veikiančiuose apie 500 kHz dažniu, palyginti su tais brangiais ultra greitais silicio alternatyviais sprendimais, stebima apie 2–5 procentų mažesnės perjungimo nuostolios. Tai patvirtina praeitais metais „Power Electronics International“ žurnale paskelbta studija. Visi šie pagerinimai reiškia mažesnę elektromagnetinę sąsają, vėsesnius veikiančius komponentus ir geriau supakuotą galios tiekimą. Šios pranašumų savybės ypač svarbios situacijose, kai šilumos valdymas yra sudėtingas arba kai vietos apribojimai reikalauja kompaktiškų maitinimo sprendimų.

Palaiko >1 MHz veikimą su GaN ir SiC galios grandinėmis

Šiuo metu tranzistoriai, pagaminti iš galio nitrido (GaN) ir silicio karbido (SiC), gali veikti dažniu, kuris gerokai viršija 1 MHz. Tačiau jų našumui iš tikrųjų svarbu tai, kaip greitai veikia tie lygintuvai. Šioje schemoje naudojami Šotkio diodai, ypač tie, kurie pagaminti iš silicio karbido, turi atstatymo laiką, matuojamą nanosekundės dalimis. Jie beveik idealiai sutampa su GaN ir SiC įrenginių perjungimo taškais. Kai taip nutinka, pašalinami nepatogūs įtampų šuoliai, kurie kyla, kai grandinės keičia būseną. Projektuose, veikiančiuose kelių megahercų dažniu, elektromagnetinis triukšmas sumažėja apie 15 dB. Yra ir kitų privalumų: greitesnis perjungimas leidžia naudoti mažesnius transformatorius ir induktorus. Šie komponentai gali susitraukti daugiau nei 60 % palyginti su tradicinėmis 100 kHz sistemomis. Todėl inžinieriai taip labai remiasi Šotkio diodais kompaktiškose maitinimo sistemose, kurios gali talpinti daugiau nei 1 kW galios į tokį mažą įrenginį, kuris tilptų serverių stovėjimo vietoje arba elektromobilių įkrovimo stotyje, vis dar užtikrindami aukštą naudingumo koeficientą ir patikimą veikimą.

Kritinės programinės įrangos aplikacijos: lyginimas ir laisvojo bėgio veikimas šiuolaikinėse maitinimo šaltinių sistemose (PSU)

Sinchroninis lyginimas, „OR-ing“ ir aprišimo grandinės funkcijos

Šotkio diodai atlieka tris būtinąsias funkcijas šiuolaikinėse maitinimo šaltinių sistemose (PSU):

• Sinchroninė rektyfikacija : Ant antrinės DC-DC keitiklių pusės jų žemas 0,3–0,5 V tiesioginės įtampos kritimas leidžia atkurti energiją, kuri kitaip būtų prarasta kaip šiluma – padidinant efektyvumą iki 4 % 48 V serverių maitinimo šaltinių sistemose.
• „OR-ing“ : Jų greitas perjungimas izoliuoja pagrindinę ir rezervinę maitinimo šaką per perkrovos perjungimą, neleisdama žalingam atvirkštiniam srovės tekėjimui dvigubose (rezervinėse) sistemose.
• Aprišimo grandinės : Skrydžio (flyback) ir rezonansinėse topologijose Šotkio diodai per nanosekundes nukreipia perjungimo laikinąsias įtampas, saugiai sugerdami viršūnių energiją, viršijančią 200 mJ.

Šios funkcijos kartu leidžia pasiekti >94 % efektyvumą kompaktiškose, didelės patikimumo maitinimo šaltinių sistemose, tuo pačiu apsaugant nuo katastrofiškų pernaujintų įtampų reiškinių.

Projektavimo kompromisiniai sprendimai: Šotkio diodų našumo ir ribojimų subalansavimas

Atvirkštinės nuotėkio ir tiesioginės įtampos kompromisinis santykis esant aukštai temperatūrai

Tai, kas leidžia šiems komponentams pasiekti tokį žemą tiesioginės įtampos kritimą (paprastai nuo 0,15 V iki 0,45 V), taip pat sukelia kompromisinį efektą, susijusį su atvirkštine nuotėka (IR), ypač pastebimą esant aukštesnėms darbinėms temperatūroms. Pagrindinė šios problemos priežastis – termoelektroninė emisija, vykstanti metalo ir puslaidininkio sąsajos vietoje. Kai sandūros temperatūra kyla, pavyzdžiui, iki apytiksliai 125 °C, nuotėkos srovė pradeda staigiai didėti palyginti su kambario temperatūros sąlygomis. Šiuo metu nuotėka gali būti daugiau kaip tūkstantį kartų didesnė nei normaliomis aplinkos temperatūromis. Tiesioginė įtampa lieka ganėtinai pastovi, todėl inžinieriams reikia atidžiai stebėti šią vis labiau augančią atvirkštinę nuotėką, kuri gali tapti pagrindiniu jų projektuose energijos nuostolių šaltiniu. Jei šios nuotėkos neprižiūrima, vėliau tai gali sukelti rimtų šilumos valdymo problemų. Visiems, kurie dirba su automobilių sistemomis, gamyklinės automatizacijos įranga ar duomenų centrų įranga, ypač svarbu įvertinti, kaip ši nuotėka eksponentiškai auga tiek kompiuterinėse simuliacijose, tiek tikrinant prototipus realiomis sąlygomis.

Įtampų reitingo apribojimai ir deratinės geriausios praktikos

Šotkio diodai pagrindinėmis savybėmis riboti maksimalia atvirkštine įtampa (V _RRM )—dauguma komercinių įrenginių turi šią ribą žemiau 200 V dėl barjero aukščio apribojimų. Viršijus V _RRM , kyla pavojus lavinos prabrovimui ir negrįžtamam sugadinimui. Todėl strateginis deratinis naudojimas yra būtinas:

• Standartinis pramoninis naudojimas : Pasirinkti diodus, kurių reitingas bent 20 % didesnis už sistemos viršutinę įtampą
• Aukštos patikimumo reikalavimus tenkinančios aplikacijos (medicinos, karinės, kosminės technikos sritys): Taikyti 40–50 % deratinį saugos margą
• Sistemos su dinaminiais impulsais : Poruoti su trumpalaikės įtampos slopintuvais (TVS) impulsams ilgesniems nei 100 ns

Šiluminis galios mažinimas taip pat yra labai svarbus—V _RRM tikslumas mažėja, kai sandūros temperatūra artėja prie 150 °C. Tikslus temperatūros koeficiento modeliavimas montuojant plokštes ir projektuojant šilumos valdymą neleidžia netikėtai sugesti tankiai supakuotose galios grandinėse.