Kaip Šotkio diodai pagerina jungimo efektyvumą elektronikoje

Suprasti jungimo našumą ir Šotkio diodų vaidmenį galios elektronikoje

Perjungimo efektyvumas reiškia, kaip gerai elektroninės sistemos perjungia tarp skirtingų laidumo būsenų, prarandant kuo mažiau energijos per šiuos pereinamuosius procesus. Tai, kas išskiria Šotkio diodus, yra jų ypatingas metalo ir puslaidininkio sujungimas. Ši konstrukcija pašalina trikdančius mažumos krūvio nešiklių kaupimo delsiančiuosius efektus, kurie būdingi įprastiems PN diodams. Pagal praėjusiais metais atliktą tyrimą apie puslaidininkio našumą, Šotkio diodai gali pasiekti apie 98 % efektyvumą, kai naudojami nuolatinės srovės-kintamos srovės keitikliuose. Tai yra gana įspūdinga, atsižvelgiant į tai, kad jie sumažina terminę įtampą apie 30–40 procentų lyginant su senesnės kartos diodų technologija. Tokios svarbios svarbos patikimumui ir ilgaamžiškumui.

Pagrindinės privalumai: mažas pradinis įtampos kritimas ir beveik nulinis atstatymo laikas atvirkštinėje kryptimi

Du svarbūs bruožai apibrėžia Šotkio diodų pranašumą:

1. Mažas pradinis įtampos kritimas (Vf) : Paprastai 0,15–0,45 V , palyginus su 0,7–1,1 V silicio PN diodų atveju, sumažinant laidumo nuostolius iki 50 % žemo įtampos taikymuose.
2. Beveik nulinis atvirkštinio atkūrimo laikas : Nesant kaupiamojo krūvio, perjungimo delsos sumažinamos iki subnanosekundės lygio, kaip patvirtinta naujausių maitinimo elektronikos tyrimų.

Šios savybės daro juos nepakeičiamais baterijomis maitinamuose įrenginiuose, kuriuose energijos taupymas tiesiogiai veikia veikimo trukmę.

Palyginimas su konvenciniais PN sandūros diodais realiose aplikacijose

Charakteristika	Schottky diodas	PN sandūros diodas
Pirmyn esanti įtampos	0,15–0,45 V	0,7–1,1 V
Atvirkštinis atkūrimas	<1 ns	50–500 ns
Efektyvumas @ 5 V	95–98%	80–85%

Saulės inverteriuose ir variklių valdymo sistemose Šotkio diodai sumažina bendras sistemos nuostolius 12–18 %, o jų greitesnis perjungimas mažina elektromagnetinį trikdį (EMI). Tačiau didesnė atvirkštinė nutekėjimo srovė (µA ribose) reikalauja atidžaus šiluminio konstravimo aukštos temperatūros aplinkose.

Greitas perjungimo greitis ir sumažinti perjungimo nuostoliai

Kaip trūkstantis mažumos krūvininkų kaupimas leidžia ultra greitą perjungimą

Šotkio diodai pašalina mažumos krūvininkų kaupimąsi dėl metalo puslaidininkio sandaros, leidždami perėjimo trukmę trumpesnę nei 10 nanosekundžių. Ši būdinga savybė leidžia greitesnį perjungimą lyginant su įprastais diodais, išvengiant krūvio kaupimo vėlavimų, susijusių su PN sandūromis.

Našumo matavimas: kilimo laikas, kritimo laikas ir poveikis perjungimo nuostoliams

Inžinieriai perjungimo efektyvumą vertina naudodami įtampos kilimo/mažėjimo laiko matavimus, o pramonės standartai rodo, kad Šotkio diodai pasiekia 70 % greitesnius perjungimo procesus lyginant su silicio atitikmenimis. Sumažintas perėjimo laikas tiesiogiai mažina perjungimo nuostolius, išsaugant iki 1,2 W energijos kiekvienam perjungimo ciklui aukštos dažninės aplikacijose.

Atvejo analizė: patobulinta laikinoji reakcija DC-DC keitikliuose

Neseniai atlikto tyrimo duomenimis, Šotkio diodai padidino DC-DC keitiklių efektyvumą 18 % dėka sumažinto įtampos šuolio esant apkrovos pokyčiams. Šis našumo padidėjimas yra susijęs su diodo gebėjimu riboti atvirkštinio atkūrimo impulsus per 5 nanosekundes, užtikrinant stabilumą 500 kHz ir daugiau perjungimo dažnių aplinkose.

Žemas tiesioginės įtampos kritimas ir laidumo nuostolių sumažinimas

Schottky diodusai išsiskiria perjungimo efektyvumu, nes jų tiesioginis įtampos kritimas (Vf) yra labai mažas. Šių prietaisų skaičiai svyruoja nuo 0,15 iki 0,45 volto, tuo tarpu įprastiems silicio PN diodusams reikia apie 0,7 iki 1,2 volto. Tai reiškia, kad Vf sumažėja maždaug 60–75 procentų, todėl veikiant energijos, kuri virsta šiluma, nuostoliai yra daug mažesni. Pagal 2023 m. IEEE paskelbtą tyrimą, įmonės, naudojančios Schottky diodusus, sutaupo apie 37 procentų išlaidų, susijusių su šilumos valdymu, esant didelėms srovėms, būtent dėl šios savybės.

Kaip mažas Vf sumažina galios nuostolius ir pagerina šiluminę našumą

Šotkio diodai veikia kitaip, nes jų metalo puslaidininkio sandūra nekaupia mažumos krūvininkų, todėl jie gali perjungti būsenas žymiai greičiau, išlaikydami santykinai žemą įtampą ant jų. Vertinant faktinius našumo rodiklius, tiesioginės įtampos (Vf) sumažinimas tik 0,1 voltu lemia apie 18 % mažesnius laidumo nuostolius, kai prietaisas veikia 5 A srovės. Dėl šios priežasties šie komponentai tapo itin svarbūs moderniems 48 voltų serverių maitinimo sprendimams. Tipiškas Šotkio diodas gali prarasti tik 0,3 volto, palyginti su silicio atitikmenimis, kurie netenka beveik dvigubai daugiau – 0,7 volto. Padauginus šį nedidelį skirtumą iš visų stovų duomenų centre, kalbame apie 24 vatų sutaupymą viename stovyje kasmet, o tai ilgainiui susideda į reikšmingą sumą.

Nešiojamų ir baterijomis maitinamų įrenginių efektyvumo padidėjimo matavimas

Schottky diodai, turintys žemesnį tiesioginį įtampą (Vf), iš tikrųjų gali padidinti baterijos tarnavimo laiką mobiliųjų telefonų greito įkrovimo grandinėse apie 15–20 procentų, palyginti su įprastais senaisiais diodais. Pagal 2023 m. naujausią „TechInsights“ ataskaitą, GaAs Schottky USB-PD valdikliai pasiekė apie 94,1 % efektyvumą, tuo tarpu silicio versijos pasiekė tik 88,6 %. Įdomu, kad panašūs rezultatai buvo gauti automobilių energijos jungiklių taikymuose, kai geresni diodų pasirinkimai viename konkrečiame atvejo tyrime pratęsė elektrinio automobilio baterijos gyvavimo trukmę maždaug 12 %. Šie skaičiai tikrai parodo, kodėl gamintojai vis dažniau nukreipia dėmesį į šiuos specializuotus komponentus siekdami pagerinti našumą įvairiose pramonės šakose.

Projektavimo kompromisas: žemo tiesioginio įtampos subalansavimas su didesniu atvirkštiniu nutekėjimu

Kai Vf yra mažesnis nei 0,3 V, efektyvumas gerėja, tačiau projektuotojams reikia atsižvelgti į atvirkštinės nutekėjimo srovės eksponentinį augimą – iki 100 µA esant 125 °C temperatūrai, palyginti su <1 µA aukštos įtampos silicio diodų atveju. Šiuolaikiniai sprendimai, tokie kaip silicio karbido (SiC) Šotkio diodai, sumažina šį trūkumą naudodami platumos juostos medžiagas, kurios palaiko <10 µA nutekėjimą net esant 175 °C sandūros temperatūrai.

Svarbios jungiklių maitinimo šaltinių ir aukštos dažninės grandinės taikymo sritys

Šotkio diodų vaidmuo SMPS ir DC-DC keitiklių efektyvumo didinime

Šotkio diodai išties pagerina jungiklių tipo maitinimo šaltinių (SMPS) ir tų DC/DC keitiklių veikimą, nes sumažina erzinančius laidumo nuostolius. Jų ypatingumą lemia labai mažas tiesioginis įtampų kritimas, kuris pagal 2023 metų maitinimo elektronikos tyrimus iš tikrųjų sumažina energijos švaistymą apie 20 procentų, palyginti su įprastais senoviniais diodais. Atsižvelgiant konkrečiai į DC/DC žeminančiuosius keitiklius, šie Šotkio diodai padeda išlaikyti daug sklandesnį įtampos lygį, taip pat užtikrina vėsesnį darbą. Skirtumas tampa dar pastebimesnis esant aukštesnėms dažnumoms, kuriomis dirba dauguma šiuolaikinių sprendimų – virš 1 MHz dabartinėje praktikoje.

Našumo privalumai: EMI mažinimas, termovaldymas ir patikimumas

Šotkio diodai beveik neturi atvirkštinės atkūrimo trukmės, kas reiškia, kad jungiant jie nekuria erzinančių įtampos šuolių. Tai iš esmės sumažina elektromagnetinį trikdį (EMI) apie 30 procentų daugelyje pramoninių maitinimo sistemų. Mažesnis tiesioginės srovės įtampos kritimas taip pat sukuria mažiau šilumos, todėl inžinieriai gali projektuoti mažesnius produktus, nereikalingus papildomų aušinimo sprendimų – tai ypač svarbu kasdien nešiojamiems įrenginiams. Kai kurie naujausi bandymai parodė, kad šie diodai veikė apie 98,5 % laiko neprotingai veikdami 10 000 valandų telekomunikacijų įrangoje, nors realios sąlygos gali šiek tiek skirtis nuo laboratorinių rezultatų.

Didėjantis naudojimas automobilių sistemose ir atsinaujinančios energijos infrastruktūroje

Automobilių gamintojai šiuolaikiniame elektromobilių akumuliatorių valdymo sistemose ir įmontuotuose įkrovikliuose pradeda naudoti Šotkio diodus, nes jie perjungia taip greitai, kad šie komponentai dirbdami su 800 V nuolatinės srovės greito įkrovimo sistemomis gali pasiekti apie 99 % efektyvumą. Kalbant apie saulės baterijas, invertoriai, aprūpinti silicio karbido (SiC) Šotkio diodais, dideliuose kompleksuose iš saulės šviesos pagal 2024 m. atnaujintos energijos technologijos ataskaitas iš tikrųjų paima apie 2 % daugiau energijos. Artimiausiu metu matome, kad tos pačios diodų rūšys taip pat atsiranda naujose vietose, pvz., vėjo jėgainėse, skirtose mentės kampui reguliuoti, ir dvikrypčiuose maitinimo keitikliuose, naudojamuose elektros energijai saugoti tinkle. Visa tai vyksta dėl to, kad visose pramonės šakose didėja spaudimas energiją tinkamiau nukreipti per mūsų vis sudėtingesnius „protingų“ tinklų tinklus.

Silicio karbido (SiC) Šotkio diodai: žingsnis į priekį kitos kartos efektyvumo link

SiC Šotki diodų puikios savybės aukštos galios ir aukštos temperatūros aplinkose

Silicio karbido arba SiC Šotki diodai pranoksta įprastus silicio diodus sunkiose eksploatacijos sąlygose dėl medžiagos savybių. Pagal naujausius puslaidininkių srities tyrimus, šie SiC komponentai turi maždaug dešimt kartų didesnį pramušimo įtampą lyginant su standartiniais variantais ir gerai veikia net esant temperatūrai virš 200 laipsnių Celsijaus. Tokia temperatūros atsparumas reiškia, kad gamintojams nereikia sudėtingų aušinimo sistemų tokiose įrangose kaip didelės pramonės variklių ar saulės inverterių, kurios paprastai veikia karščioje, kartais net virš 125C temperatūros. Kitas svarbus SiC privalumas yra beveik visiškas atvirkštinio atstatymo krūvio nebuvimas, todėl jungimo nuostoliai žymiai mažėja aukšto dažnio maitinimo konvertavimo sistemose, veikiančiose virš 10kHz.

Efektyvumo lyginamasis rodiklis: SiC ir silicio Šotki diodai pramonės aplikacijose

Neseniai atlikta tyrimai kiekybiškai apibūdina SiC privalumus atliekant tikrus bandymus:

• 25% mažesnis laidumo praradimas 650 V nuolatinio srovės keityklose, palyginti su silicio ekvivalentais
• 40% EV įkrovimo stočių galios tankio gerinimas
  Pramonės efektyvumo palyginimai rodo, kad SiC Schottky diodai 3 fazės inverteruose užtikrina 98,5% efektyvumą, o silicio diodai - 3,2 procentinio punkto didesnį, kai jie yra apkrovinami 50 kW. Šis spragas didėja virš 100 °C, kai silicio įrenginiai paspartina nutekėjimo srovės degradaciją.

Ateities tendencijos: integracija su plačiajuosčio juostos puslaidininkais naujos kartos elektros energijos sistemoms

Naujos konstrukcijos metodika dabar sumaišė silicio karbido Šotkio diodus su galiumo nitrido tranzistoriais, sukurdama hibridinius modulius, kurie beveik 99 proc. efektyviai veikia 1 MHz dažniu belaidžio maitinimo sistemose. Automobilų gamintojai, kurie kuria naujos kartos elektrinius automobilius, bandė 800 V baterijų įrenginius su šiais SiC komponentais. Koks buvo rezultatas? Įtaisyti įkrovikliai, kurie sveria apie 35% mažiau nei tradiciniai modeliai, ir jie gali valdyti tuos bjaurus 1500 V įtampos spindulius, kurie vyksta veikimo metu. Žiūrint į ateitį, ši technologija atrodo gana svarbi, jei norime pasiekti ambicingus ES energetikos tikslus iki 2030 metų. Išmanųjų tinklų operatoriai ir geležinkelio bendrovės jau ieško SiC sprendimų infrastruktūros modernizavimui, kai kiekvienas procentinis efektyvumo punktas yra svarbus, kai sprendžiami dideli elektros energijos poreikiai tūkstančių kilometrų bėgių keliuose.

DUK

Kokie yra pagrindiniai Schottky diodų naudojimo privalumai?

Šotkio diodai pasižymi žemu tiesioginiu įtampų kritimu, beveik nuliniu atvirkštiniu atkūrimo laiku ir minimaliomis energijos nuostoliais perėjimo metu. Šios savybės juos daro labai efektyviais, ypač baterijomis maitinamuose prietaisuose.

Kaip Šotkio diodai lyginasi su įprastais PN sandūros diodais?

Šotkio diodai siūlo geresnį efektyvumą, greitesnius jungimo greičius ir žemesnius tiesioginius įtampų kritimus, palyginti su įprastais PN sandūros diodais, todėl jie tinka saulės inverteriams ir variklių valdymui.

Kam naudojami silicio karbido (SiC) Šotkio diodai?

Silicio karbido (SiC) Šotkio diodai naudojami aukštos galios ir aukštos temperatūros aplinkose dėl jų aukšto pramušimo įtampos lygio ir minimalios atvirkštinės atkūrimo krovos, todėl jie idealiai tinka pramoniniams varikliams ir saulės inverteriams.

Kur dažniausiai naudojami Šotkio diodai?

Šotkio (Schottky) diodus plačiai naudojama perjungiamuose maitinimo šaltiniuose, nuolatinės srovės keitikliuose, elektromobilių baterijų valdymo sistemose, saulės elektrinėse, vėjo turbinose ir kt. dėl jų efektyvumo ir greito perjungimo savybių.