Niski spadek napięcia w kierunku przewodzenia: zwiększenie efektywności w zasilaczach niskonapięciowych

Fizyka przewodzenia przez barierę Schottky i zmniejszone V _F

Dioda Schottky działa inaczej, ponieważ tworzy złącze metal-półprzewodnik zamiast typowego złącza p-n występującego w zwykłych diodach. Oznacza to, że nie jest wymagana iniekcja nośników mniejszościowych, dzięki czemu eliminowane są uciążliwe straty związane z rekombinacją w obszarze zaporowym, jakie występują w tradycyjnych rozwiązaniach. Wynik? Przewodnictwo przez nośniki większościowe zachodzi przy znacznie niższym potencjale bariery — około 0,15 V do 0,45 V, podczas gdy standardowe diody krzemowe wymagają napięcia w zakresie od 0,7 V do 1,1 V. Elektrony przepływają bezpośrednio z materiału półprzewodnikowego typu n do kontaktu metalowego, więc w trakcie tego procesu praktycznie nie następuje marnowanie energii. W przypadku konkretnie zasilaczy 5 V diody Schottky pozwalają zmniejszyć spadek napięcia w kierunku przewodzenia o 60–80% w porównaniu do rozwiązań konwencjonalnych. Ma to istotne znaczenie, ponieważ straty przewodzeniowe stają się szczególnie uciążliwe przy niskich napięciach i wysokich prądach.

Zmierzone zyski wydajnościowe: 2–5% w przetwornicach DC-DC o napięciu 3,3 V/5 V

Niepodlegające zależnościom od producenta badania porównawcze przetwornic obniżających ze sterowaniem synchronicznym potwierdzają spójne ulepszenia wydajności na poziomie całego systemu, gdy diody Schottky zastępują prostowniki krzemowe. Wielokrotne badania przeprowadzone w 2023 roku w przypadku rozwiązań przeznaczonych zarówno do zastosowań przemysłowych, jak i serwerowych wykazały zyski wynoszące 2–5% — szczególnie wyraźne przy napięciach wyjściowych 3,3 V i 5 V, gdzie straty przewodzeniowe zmieniają się odwrotnie proporcjonalnie do napięcia. Przy prądzie wyjściowym 20 A uzyskano następujące reprezentatywne wyniki:

Te ulepszenia bezpośrednio ułatwiają zarządzanie ciepłem w zastosowaniach ograniczonych pod względem przestrzennym — w tym w modułach zasilania serwerów, jednostkach sterujących silników (ECU) w pojazdach oraz przenośnych urządzeniach elektronicznych — gdzie każdy zaoszczędzony wat przedłuża czas pracy akumulatora o 15–20%, zgodnie z najnowszymi badaniami polowymi.

Ultra-szybkie przełączanie: umożliwienie kompaktowych projektów przetwornic impulsowych (SMPS) pracujących z wysoką częstotliwością

Brak magazynowania nośników mniejszościowych oraz odzysk odwrotny w czasie krótszym niż nanosekunda

Dioda Schottky działa inaczej niż zwykłe diody, ponieważ podczas przewodzenia wykorzystuje wyłącznie nośniki większościowe. Oznacza to praktycznie brak opóźnienia związanego z magazynowaniem nośników mniejszościowych. To właśnie ta różnica decyduje o znacznym ograniczeniu uciążliwych szczytów prądu odzysku wstecznego, które stanowią poważny problem dla diod z złączem PN. Czas odzysku wstecznego jest tutaj znacznie krótszy niż 1 nanosekunda, dzięki czemu diody te mogą wyłączać się bezpiecznie nawet przy częstotliwościach działania wynoszących kilka megaherców. Na przykład w regulatorach obniżających (buck) pracujących w zakresie częstotliwości około 500 kHz obserwuje się spadek strat przełączania o ok. 2–5% w porównaniu do tzw. ultra-szybkich alternatyw krzemowych. Potwierdza to badanie opublikowane w zeszłorocznym wydaniu czasopisma „Power Electronics International”. Wszystkie te usprawnienia przekładają się na zmniejszenie interferencji elektromagnetycznych, chłodniejszą pracę elementów oraz lepsze możliwości kompaktowego rozmieszczenia mocy. Te zalety mają szczególne znaczenie w sytuacjach, gdy zarządzanie ciepłem stanowi wyzwanie lub gdy ograniczenia przestrzeni wymuszają zastosowanie kompaktowych rozwiązań zasilania.

Obsługa działania powyżej 1 MHz z wykorzystaniem stopni mocy opartych na GaN i SiC

Tranzystory wykonane z azotku galu (GaN) i karbidu krzemu (SiC) mogą dziś pracować przy częstotliwościach znacznie przekraczających 1 MHz. Jednak tym, co naprawdę ma znaczenie dla ich wydajności, jest szybkość działania tych prostowników. Diody Schottky’ego stosowane w tym przypadku, szczególnie te oparte na karbidzie krzemu, charakteryzują się czasami odzyskiwania mierzonymi ułamkami nanosekundy. Dopasowują się one praktycznie idealnie do punktów przełączania urządzeń GaN i SiC. Dzięki temu eliminuje się uciążliwe szczyty napięcia powstające podczas przełączania stanów obwodu. W projektach działających przy kilku megahercach obserwujemy spadek zakłóceń elektromagnetycznych o około 15 dB. Istnieje także inna korzyść: szybsze przełączanie pozwala na zastosowanie mniejszych transformatorów i dławików. Te elementy mogą być pomniejszone o ponad 60% w porównaniu do tradycyjnych systemów pracujących z częstotliwością 100 kHz. Dlatego też inżynierowie tak bardzo polegają na diodach Schottky’ego w kompaktowych zasilaczach, które zapewniają moc przekraczającą 1 kW w tak małej objętości, że mieszczą się w szafie serwerowej lub stacji ładowania pojazdów elektrycznych, zachowując przy tym wysoką sprawność oraz niezawodność działania.

Zastosowania krytyczne: prostowanie i funkcja wolnobieżna w nowoczesnych zasilaczach impulsowych (PSU)

Prostowanie synchroniczne, łączenie równoległe (OR-ing) oraz role obwodów ograniczających

Dioda Schottky pełni trzy niezastąpione funkcje w nowoczesnych zasilaczach impulsowych (PSU):

• Synchroniczne prostowanie : Po stronie wtórnej przetwornic DC-DC ich niskie napięcie w kierunku przewodzenia (0,3–0,5 V) umożliwia odzyskanie energii, która w przeciwnym razie byłaby tracona w postaci ciepła — zwiększając sprawność nawet o 4% w zasilaczach serwerowych 48 V.
• Łączenie równoległe (OR-ing) : Dzięki szybkiemu przełączaniu izolują one szyny zasilania podstawowego i rezerwowego podczas przełączania awaryjnego, zapobiegając szkodliwemu przepływowi prądu wstecznego w systemach redundantnych.
• Obwody ograniczające : W topologiach typu flyback oraz rezonansowych diody Schottky odprowadzają przebiegi przełącznikowe w ciągu nanosekund, bezpiecznie pochłaniając energię szczytową przekraczającą 200 mJ.

Łącznie te funkcje umożliwiają osiągnięcie sprawności przekraczającej 94% w kompaktowych i wysoko niezawodnych zasilaczach impulsowych (PSU), jednocześnie chroniąc je przed katastrofalnymi zdarzeniami nadnapięciowymi.

Kompromisy projektowe: balansowanie między wydajnością a ograniczeniami diod Schottky

Kompromis między prądem wstecznym a napięciem przewodzenia w wysokiej temperaturze

To, co sprawia, że te elementy osiągają tak niskie spadki napięcia w kierunku przewodzenia (zwykle w zakresie od 0,15 V do 0,45 V), wiąże się również z kompromisem pod względem prądu wstecznego przecieku (IR), szczególnie wyraźnym przy wyższych temperaturach pracy. Główną przyczyną jest tutaj emisja termiczna zachodząca na granicy metal–półprzewodnik. W miarę jak temperatura złącza rośnie — np. do ok. 125 °C — obserwujemy gwałtowny wzrost prądów przecieku w porównaniu do warunków temperatury pokojowej. W tym przypadku prąd przecieku może być ponad tysiąc razy większy niż przy normalnych temperaturach otoczenia. Napięcie w kierunku przewodzenia pozostaje jednak stosunkowo stabilne, dlatego inżynierowie muszą uważać, aby rosnący prąd wsteczny przecieku nie stał się głównym źródłem strat mocy w ich projektach. Jeśli pozostanie on bez odpowiedniego nadzoru, może to prowadzić do poważnych problemów termicznych w dalszej fazie eksploatacji. Osoby pracujące nad systemami przeznaczonymi do zastosowań w pojazdach samochodowych, urządzeniach do automatyzacji przemysłowej lub centrach danych muszą koniecznie uwzględnić wykładniczy wzrost tego przecieku zarówno podczas symulacji komputerowych, jak i podczas testowania prototypów w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych.

Ograniczenia związane z zakresem napięć nominalnych oraz najlepsze praktyki obniżania parametrów

Dioda Schottky’ego jest zasadniczo ograniczona pod względem maksymalnego napięcia zwrotnego (V _RRM ) — większość komercyjnych urządzeń ma wartość tę ograniczoną poniżej 200 V ze względu na ograniczenia wysokości bariery potencjału. Przekroczenie wartości V _RRM wiąże się z ryzykiem przebicia lawinowego i nieodwracalnego uszkodzenia. Dlatego też strategiczne obniżanie parametrów jest obowiązkowe:

• Standardowe zastosowania przemysłowe : wybierać diody o napięciu granicznym co najmniej o 20 % wyższym niż szczytowe napięcie systemu
• Zastosowania wymagające wysokiej niezawodności (medyczne, wojskowe, lotnicze i kosmiczne): stosować zapasy bezpieczeństwa wynoszące 40–50 %
• Systemy poddawane dynamicznym przebiegom przejściowym : stosować razem z ogranicznikami napięcia przejściowego (TVS) w przypadku impulsów o czasie trwania przekraczającym 100 ns

Obniżenie mocy termicznej jest równie krytyczne—V _RRM dopuszczalna wartość napięcia maleje w miarę zbliżania się temperatury złącza do 150 °C. Dokładne modelowanie współczynnika temperaturowego podczas projektowania płytki PCB i projektowania układu chłodzenia zapobiega nieoczekiwanym awariom w gęsto upakowanych stopniach mocy.