Lage doorlaatspanningsval: efficiëntieverhoging in voedingen met lage spanning

Fysica van geleiding via de Schottky-barrière en verlaagde V _F

Schottky-diodes werken anders omdat ze een metaal-halfgeleider-overgang vormen in plaats van de gebruikelijke p-n-overgang die we vinden in gewone diodes. Dit betekent dat er geen injectie van minderheidsladingsdragers nodig is, waardoor de vervelende rekombinatieverliezen in de depletionlaag verdwijnen die we zien bij traditionele opstellingen. Het resultaat? Geleiding door meerderheidsladingsdragers vindt plaats met een veel lagere barrièrepotentiaal. Denk er eens aan: ongeveer 0,15 volt tot 0,45 volt, terwijl standaardsiliciumdiodes tussen de 0,7 volt en 1,1 volt vereisen. Elektronen stromen gewoon rechtstreeks van het n-type halfgeleidermateriaal naar het metalen contact, zodat er bijna geen energie verloren gaat tijdens dit proces. Bij 5-volt voedingen specifiek kunnen deze Schottky-diodes de voorwaartse spanningsval met ongeveer 60 tot 80 procent verminderen ten opzichte van conventionele opties. Dat maakt een aanzienlijk verschil, aangezien geleidingsverliezen vooral problematisch zijn bij lage spanningen en hoge stroomtoepassingen.

Gemeten efficiëntiewinsten: 2–5% in 3,3 V/5 V DC-DC-converters

Onafhankelijke benchmarktests van synchrone step-down-converters bevestigen consistente efficiëntieverbeteringen op systeemniveau wanneer Schottky-diodes siliciumgelijkrichters vervangen. Meerdere studies uit 2023 op industriële en serverklasse-ontwerpen tonen verbeteringen van 2–5% aan — met name duidelijk bij 3,3 V- en 5 V-uitgangen, waarbij geleidingsverliezen omgekeerd evenredig zijn met de spanning. Bij een uitgangsstroom van 20 A zijn representatieve resultaten:

Deze verbeteringen verlichten direct het thermisch beheer in ruimtegevoelige toepassingen — waaronder serverstroommodules, automotive ECU’s en draagbare elektronica — waarbij elke bespaarde watt de batterijlevensduur verlengt met 15–20%, volgens recente praktijkcase-studies.

Ultrassnel schakelen: mogelijk maken van compacte SMPS-ontwerpen met hoge schakelfrequentie

Geen minority-carrier-opslag en subnanoseconde inverse hersteltijd

Schottky-diodes werken anders dan gewone diodes, omdat ze tijdens de geleiding uitsluitend gebruikmaken van meerderheidsladingsdragers. Praktisch betekent dit dat er geen opslagvertraging optreedt die verband houdt met minderheidsladingsdragers. En dat maakt alle verschil wanneer het gaat om die vervelende piekstromen bij omgekeerde hersteltijd, die eigenlijk een groot probleem vormen voor PN-junctiediodes. De omgekeerde hersteltijd daalt hier tot ver onder 1 nanoseconde, waardoor deze diodes zelfs bij werking op meerdere megahertz scherp kunnen uitschakelen. Bijvoorbeeld in afwikkelregelaars (buck regulators) die werken rond de frequentie van 500 kHz, zien we een daling van ongeveer 2 tot 5 procent in de schakelverliezen ten opzichte van die geavanceerde ultrasnelle siliciumalternatieven. Een studie die vorig jaar werd gepubliceerd door Power Electronics International bevestigt dit. Al deze verbeteringen vertalen zich in verminderde elektromagnetische interferentie, koelere werkende componenten en betere vermogensdichtheid. Deze voordelen zijn van groot belang in situaties waarin warmtebeheersing lastig is of waar ruimtebeperkingen compacte voedingsoplossingen vereisen.

Ondersteuning van >1 MHz-bedrijf met GaN- en SiC-krachttrappen

Transistors gemaakt van galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC) kunnen tegenwoordig frequenties aanzienlijk boven de 1 MHz aan. Maar wat echt belangrijk is voor hun prestaties, is hoe snel die gelijkrichters werken. De Schottky-diodes die we hier gebruiken, met name de op siliciumcarbide gebaseerde varianten, hebben hersteltijden die worden gemeten in fracties van een nanoseconde. Ze zijn bijna perfect afgestemd op de schakelpunten van GaN- en SiC-apparaten. Wanneer dit gebeurt, worden die vervelende spanningspieken voorkomen die optreden wanneer circuits van staat wisselen. In ontwerpen die op meerdere megahertz draaien, zien we een daling van elektromagnetische interferentie van ongeveer 15 dB. En er is nog een ander voordeel: sneller schakelen betekent kleinere transformatoren en spoelen. Deze componenten kunnen meer dan 60% kleiner worden dan bij traditionele systemen van 100 kHz. Daarom vertrouwen ingenieurs zo sterk op Schottky-diodes voor compacte voedingen die meer dan 1 kW vermogen leveren in een formaat dat klein genoeg is om in een serverrack of een laadstation voor elektrische voertuigen te passen, terwijl ze toch goede efficiëntiecijfers en betrouwbare werking behouden.

Kritieke toepassingen: Gelijkrichting en vrijloopfunctie in moderne voedingseenheden (PSU’s)

Synchrone gelijkrichting, OR-ing en clamp-circuits

Schottky-diodes vervullen drie onmisbare functies in moderne voedingseenheden (PSU’s):

• Synchrone gelijkrichting : Aan de secundaire zijde van DC-DC-converters zorgt hun lage doorlaatspanning van 0,3–0,5 V ervoor dat energie die anders als warmte verloren zou gaan, wordt teruggewonnen — waardoor het rendement in 48 V-server-PSU’s met tot wel 4% stijgt.
• OR-ing : Door hun snelle schakelsnelheid isoleren ze de primaire en reservevoedingslijnen tijdens een overgang, waardoor schadelijke stroom in omgekeerde richting in redundante systemen wordt voorkomen.
• Clamp-circuits : In flyback- en resonantetopologieën leiden Schottky-diodes schakeltransiënten binnen nanoseconden af en absorberen veilig piekenergieën van meer dan 200 mJ.

Samen maken deze functies een rendement van meer dan 94% mogelijk in compacte, hoogbetrouwbare PSU’s, terwijl tegelijkertijd bescherming wordt geboden tegen catastrofale overspanningsgebeurtenissen.

Ontwerpafwegingen: Balans tussen prestaties en beperkingen van Schottky-diodes

Afweging tussen omgekeerde lekstroom en voorwaartse spanning bij hoge temperatuur

Wat ervoor zorgt dat deze componenten zo lage voorschakelspanningsverliezen bereiken (meestal tussen 0,15 V en 0,45 V), gaat ook gepaard met een afweging wat betreft de omgekeerde lekstroom (IR), met name bij hogere bedrijfstemperaturen. De hoofdoorzaak hier is thermische emissie aan de metaal-halfgeleider-grens. Naarmate de junctietemperatuur stijgt — bijvoorbeeld tot ongeveer 125 graden Celsius — zien we dat de lekstromen dramatisch toenemen ten opzichte van omstandigheden bij kamertemperatuur. Op dat moment kan de lekstroom meer dan duizend keer groter zijn dan bij normale omgevingstemperaturen. De voorschakelspanning blijft echter vrij constant, waardoor ingenieurs moeten oppassen dat deze toenemende omgekeerde lekstroom de voornaamste oorzaak van vermogensverlies in hun ontwerpen wordt. Indien ongecontroleerd, kan dit op termijn ernstige thermische problemen veroorzaken. Iedereen die werkt aan systemen voor auto’s, fabrieksautomatiseringsapparatuur of datacenters moet daarom rekening houden met de exponentiële toename van deze lekstroom, zowel tijdens computersimulaties als bij het testen van prototypes onder reële omstandigheden.

Beperkingen voor nominale spanning en beste praktijken voor afzwakking

Schottky-diodes zijn fundamenteel beperkt wat betreft maximale omgekeerde spanning (V _RRM )—de meeste commerciële apparaten hebben een maximum van minder dan 200 V vanwege beperkingen in de sperrlaaghoogte. Het overschrijden van V _RRM veroorzaakt risico op lawine-doorbraak en onherstelbare storing. Strategische afzwakking is daarom verplicht:

• Standaard industriële toepassing : Selecteer diodes met een nominale spanning die ten minste 20 % hoger ligt dan de piekspanning van het systeem
• Toepassingen met hoge betrouwbaarheid (medisch, militair, ruimtevaart): Pas een afzwakkingsmarge van 40–50 % toe
• Systemen met dynamische transiënten : Combineer met spanningsonderdrukkers voor transiënten (TVS) bij pieken met een duur van meer dan 100 ns

Thermische verminderingsfactor is eveneens van cruciaal belang—V _RRM de tolerantie neemt af naarmate de aansluitingstemperatuur de 150 °C nadert. Een nauwkeurige modellering van de temperatuurcoëfficiënt tijdens de PCB-layout en thermisch ontwerp voorkomt onverwachte doorbraken in sterk geïntegreerde vermogensfasen.