Низкое прямое падение напряжения: повышение эффективности в источниках питания низкого напряжения

Физика проводимости через барьер Шоттки и снижение V _К

Шоттки-диоды работают по-другому, поскольку они образуют металло-полупроводниковый переход вместо обычного p-n-перехода, присущего стандартным диодам. Это означает, что отсутствует необходимость инжекции неосновных носителей заряда, что исключает потери на рекомбинацию в обеднённой области, характерные для традиционных решений. Результат? Проводимость осуществляется основными носителями заряда при значительно более низком потенциальном барьере. Представьте: всего от 0,15 до 0,45 В по сравнению с 0,7–1,1 В у стандартных кремниевых диодов. Электроны просто проходят напрямую из полупроводникового материала n-типа в металлический контакт, поэтому в процессе практически не теряется энергия. При использовании конкретно в источниках питания на 5 В такие шоттки-диоды позволяют снизить прямое падение напряжения на 60–80 % по сравнению с традиционными решениями. Это имеет существенное значение, поскольку потери на проводимость особенно критичны при работе с низкими напряжениями и высокими токами.

Измеренные повышения эффективности: на 2–5 % в понижающих преобразователях постоянного тока 3,3 В/5 В

Независимое бенчмаркинговое тестирование синхронных понижающих преобразователей подтверждает стабильное повышение общей эффективности системы при замене кремниевых выпрямителей на шоттки-диоды. Результаты нескольких исследований 2023 года, проведённых в промышленных и серверных решениях, демонстрируют повышение эффективности на 2–5 % — особенно заметное при выходных напряжениях 3,3 В и 5 В, где потери на проводимость обратно пропорциональны напряжению. При выходном токе 20 А типичные результаты следующие:

Данные улучшения непосредственно облегчают тепловой режим в компактных по габаритам приложениях — включая модули питания серверов, электронные блоки управления автомобилями (ECU) и портативную электронику, — где каждый сэкономленный ватт увеличивает срок службы аккумулятора на 15–20 %, согласно последним полевым исследованиям.

Сверхбыстрое переключение: обеспечение высокочастотных компактных конструкций импульсных источников питания (SMPS)

Отсутствие хранения неосновных носителей заряда и обратное восстановление за доли наносекунды

Шоттки-диоды работают иначе, чем обычные диоды, поскольку при проводимости используют только основные носители заряда. На практике это означает отсутствие задержки, связанной с накоплением неосновных носителей заряда. Именно это и создаёт принципиальную разницу при борьбе с нежелательными всплесками обратного восстановительного тока — настоящей головной болью для диодов с p-n-переходом. Время обратного восстановления у таких диодов снижается значительно ниже 1 наносекунды, поэтому они способны чисто выключаться даже при работе на частотах в несколько мегагерц. Например, в понижающих стабилизаторах, работающих в диапазоне около 500 кГц, потери при переключении снижаются примерно на 2–5 % по сравнению с передовыми ультрабыстрыми кремниевыми аналогами. Эти данные подтверждаются исследованием, опубликованным в прошлом году в журнале Power Electronics International. Все эти улучшения приводят к снижению электромагнитных помех, более низкой рабочей температуре компонентов и повышению плотности мощности. Эти преимущества особенно важны в ситуациях, когда управление тепловыделением представляет сложность или когда ограничения по габаритам требуют компактных решений в области силовой электроники.

Поддержка работы на частоте более 1 МГц с использованием силовых каскадов на GaN и SiC

Транзисторы, изготовленные из нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC), сегодня способны работать на частотах значительно выше 1 МГц. Однако для их производительности решающее значение имеет скорость работы выпрямителей. Используемые здесь диоды Шоттки, особенно основанные на карбиде кремния, имеют время восстановления, измеряемое долями наносекунды. Они практически идеально совпадают по времени с моментами переключения устройств на основе GaN и SiC. Благодаря этому устраняются нежелательные выбросы напряжения, возникающие при переключении состояний в цепях. В проектах, работающих на нескольких мегагерцах, наблюдается снижение электромагнитных помех примерно на 15 дБ. Есть и другое преимущество: более быстрое переключение позволяет использовать меньшие трансформаторы и дроссели. Размеры этих компонентов могут сократиться более чем на 60 % по сравнению с традиционными системами, работающими на частоте 100 кГц. Именно поэтому инженеры так сильно полагаются на диоды Шоттки при проектировании компактных источников питания, способных выдавать более 1 кВт мощности в корпусе, достаточно малом, чтобы разместиться в серверной стойке или станции зарядки электромобилей, сохраняя при этом высокий КПД и надёжность работы.

Критические применения: выпрямление и свободное вращение в современных источниках питания (ИП)

Синхронное выпрямление, объединение по ИЛИ и функции ограничивающих цепей

Шоттки-диоды выполняют три незаменимые функции в современных источниках питания (ИП):

• Синхронное выпрямление : На вторичной стороне преобразователей постоянного тока (DC-DC) их низкое прямое падение напряжения — 0,3–0,5 В — позволяет восстановить энергию, которая в противном случае была бы рассеяна в виде тепла, повышая КПД до 4 % в серверных ИП с выходным напряжением 48 В.
• Объединение по ИЛИ : Благодаря высокой скорости переключения они изолируют основную и резервную шины питания при переходе на резерв, предотвращая опасный обратный ток в системах с резервированием.
• Ограничивающие цепи : В топологиях с обратноходовым и резонансным преобразованием шоттки-диоды отводят коммутационные импульсные помехи в течение наносекунд, безопасно поглощая энергетические всплески свыше 200 мДж.

В совокупности эти функции обеспечивают КПД выше 94 % в компактных источниках питания с высокой надёжностью, а также защищают от катастрофических событий перенапряжения.

Компромиссы при проектировании: баланс между характеристиками и ограничениями шоттки-диодов

Компромисс между обратным током утечки и прямым напряжением при высокой температуре

То, что обеспечивает этим компонентам столь низкое прямое падение напряжения (обычно в диапазоне от 0,15 В до 0,45 В), сопряжено с определённым компромиссом в отношении тока обратного утечки (IR), особенно заметным при повышенных рабочих температурах. Основной причиной здесь является термоэлектронная эмиссия на границе раздела металл–полупроводник. По мере роста температуры p–n-перехода — например, до примерно 125 °C — токи утечки начинают резко возрастать по сравнению с условиями комнатной температуры. В этом случае ток утечки может превышать значение при нормальных условиях окружающей среды более чем в тысячу раз. При этом прямое напряжение остаётся практически неизменным, поэтому инженерам необходимо внимательно следить за тем, как растущий ток обратной утечки становится основным источником потерь мощности в их конструкциях. Если его не контролировать, это может привести к серьёзным тепловым проблемам в будущем. Специалистам, работающим над системами для автомобилей, оборудования промышленной автоматизации или центров обработки данных, крайне важно учитывать экспоненциальный рост этого тока утечки как при компьютерном моделировании, так и при испытаниях прототипов в реальных условиях.

Ограничения по номинальному напряжению и передовые методы снижения рабочих параметров

Шоттки-диоды принципиально ограничены по максимальному обратному напряжению (V _RRM ) — у большинства коммерческих устройств этот параметр не превышает 200 В из-за ограничений высоты потенциального барьера. Превышение V _RRM чревато лавинным пробоем и необратимым выходом из строя. Поэтому стратегическое снижение рабочих параметров является обязательным:

• Стандартное промышленное применение : выбирайте диоды с номинальным напряжением как минимум на 20 % выше пикового напряжения в системе
• Применения с высокими требованиями к надёжности (медицинское, военное, аэрокосмическое): применяйте запас по снижению рабочих параметров в диапазоне 40–50 %
• Системы с динамическими переходными процессами : используйте подавители переходных перенапряжений (TVS) для подавления импульсов длительностью более 100 нс

Термическое снижение номинальных параметров также имеет решающее значение — V _RRM допуск по напряжению уменьшается по мере приближения температуры перехода к 150 °C. Точное моделирование температурного коэффициента на этапе проектирования печатной платы и теплового конструирования предотвращает неожиданный пробой в плотно упакованных силовых каскадах.