Nízky priamy úbytok napätia: zvyšovanie účinnosti v napájacích zdrojoch s nízkym napätím

Fyzika vedenia cez Schottkyho bariéru a znížená hodnota V _F

Schottkyho diódy fungujú inak, pretože tvoria kovovo-polovodičové prechodové spojenie namiesto bežného p-n prechodu, ktorý sa nachádza v bežných diódach. To znamená, že nie je potrebná injekcia minoritných nosičov náboja, čím sa odstraňujú tie otravné straty spôsobené rekombináciou v vyčerpanej vrstve, ktoré pozorujeme v tradičných usporiadaniach. Výsledkom je vedenie väčšinových nosičov pri výrazne nižšom bariérovom potenciáli. Stačí si predstaviť: približne 0,15 V až 0,45 V, kým štandardné kremíkové diódy vyžadujú medzi 0,7 V a 1,1 V. Elektróny jednoducho prúdia priamo z polovodičového materiálu typu n do kovového kontaktu, takže počas tohto procesu sa téměr žiadna energia neznehodnocuje. Ak sa konkrétne pozrieme na napájacie zdroje s napätím 5 V, tieto Schottkyho diódy dokážu znížiť priame napätie v zapnutom stave o 60 až 80 percent v porovnaní s konvenčnými možnosťami. To má skutočný význam, pretože straty pri vedení sú najproblémovejšie práve pri nízkych napätiach a vysokých prúdových situáciách.

Namerané zvýšenie účinnosti: 2–5 % v DC-DC meničoch 3,3 V/5 V

Nezávislé porovnávacie testy synchrónnych klesacích meničov potvrdzujú konzistentné zlepšenia účinnosti na úrovni celého systému, keď sa kremíkové usmernovače nahradia Schottkyho diódami. Viaceré štúdie z roku 2023 v priemyselných a serverových návrhoch ukazujú zvýšenie účinnosti o 2–5 % – najvýraznejšie pri výstupných napätiach 3,3 V a 5 V, kde sa straty v dôsledku vedenia zmenšujú nepriamo úmerné k napätiu. Pri výstupnom prúde 20 A sú reprezentatívne výsledky nasledovné:

Tieto zlepšenia priamo uľahčujú tepelné riadenie v aplikáciách s obmedzeným priestorom – vrátane modulov napájania serverov, automobilových elektronických riadiacich jednotiek (ECU) a prenosných elektronických zariadení – kde každý ušetrený watt predĺži životnosť batérie o 15–20 %, podľa nedávnych prípadov z praxe.

Ultra-rýchle prepínanie: umožňuje kompaktné návrhy spínaných napájacích zdrojov (SMPS) s vysokou frekvenciou

Žiadne akumulovanie minoritných nosičov náboja a obrátená obnovovacia doba pod 1 ns

Schottkyho diódy fungujú inak ako bežné diódy, pretože počas vedenia používajú iba majoritné nosiče. To znamená prakticky, že nevzniká žiadne oneskorenie spôsobené ukladaním minoritných nosičov. A práve to robí rozdiel pri tých otravných prúdových špičkách pri obrátenej obnovy, ktoré sú v podstate veľkým problémom pre PN-prechodové diódy. Čas obrátenej obnovy klesá tu výrazne pod 1 nanosekundu, takže tieto diódy dokážu vypnúť čistou a rýchlym spôsobom aj pri prevádzke na niekoľkých megahertzoch. Napríklad v klesacích regulátoroch pracujúcich v pásme frekvencií okolo 500 kHz sa zaznamenáva zníženie spínacích strát o približne 2 až 5 percent v porovnaní s tými drahšími ultra-rýchlymi kremíkovými alternatívami. Toto potvrdzuje štúdia zverejnená minulý rok časopisom Power Electronics International. Všetky tieto vylepšenia sa prejavujú znížením elektromagnetického rušenia, chladnejšou prevádzkou komponentov a lepšími možnosťami kompaktného zabalenia výkonu. Tieto výhody sú mimoriadne dôležité v situáciách, keď je riadenie tepla náročné alebo keď priestorové obmedzenia vyžadujú kompaktné výkonové riešenia.

Podpora prevádzky s frekvenciou vyššou ako 1 MHz pomocou výkonových stupňov na báze GaN a SiC

Tranzistory vyrobené z nitrídu galia (GaN) a karbidu kremíka (SiC) dnes dokážu spracovať frekvencie ďaleko nad 1 MHz. Avšak pre ich výkon je rozhodujúce, akou rýchlosťou tieto usmerňovače pracujú. Schottkyho diódy, ktoré tu používame, najmä tie založené na karbide kremíka, majú dobu obnovy meranú v zlomkoch nanosekundy. Táto doba sa takmer dokonale zhoduje so prepínacími bodmi zariadení GaN a SiC. Keď k tomu dôjde, potlačia sa tie otravné napäťové špičky, ktoré vznikajú pri prepínaní obvodov. V návrhoch pracujúcich na niekoľkých megahertzoch pozorujeme pokles elektromagnetického rušenia približne o 15 dB. Existuje však aj ďalšia výhoda: rýchlejšie prepínanie umožňuje použiť menšie transformátory a indukčné cievky. Tieto komponenty sa môžu zmenšiť o viac ako 60 % v porovnaní s tradičnými systémami pracujúcimi na frekvencii 100 kHz. Preto sa inžinieri tak veľmi spoliehajú na Schottkyho diódy pri kompaktných napájacích zdrojoch, ktoré dokážu zabaliť viac ako 1 kW do tak malého objemu, aby sa zmestili do serverového racku alebo nabíjacej stanice pre elektrické vozidlá, a zároveň zachovávajú dobré hodnoty účinnosti a spoľahlivý prevádzkový režim.

Kritické aplikácie: usmerňovanie a voľnobeh v moderných zdrojoch napájania (PSU)

Synchronné usmerňovanie, OR-ing a ochranné obvody

Schottkyho diódy plnia tri nevyhnutné funkcie v moderných zdrojoch napájania (PSU):

• Synchrónne usmerňovanie : Na sekundárnej strane DC-DC meničov ich nízky priamy úbytok napätia 0,3–0,5 V umožňuje obnoviť energiu, ktorá by inak bola stratena vo forme tepla – čím sa zvyšuje účinnosť až o 4 % v serverových zdrojoch napájania s napätím 48 V.
• OR-ing : Ich rýchle prepínanie izoluje hlavné a záložné napájací okruhy počas prepnutia, čím sa v redundantných systémoch zabráni škodlivému toku prúdu v opačnom smere.
• Ochranné obvody : V topológiách s transformátorom typu flyback a rezonančných topológiách Schottkyho diódy odvádzajú prepínacie prechodné javy do nanosekúnd a bezpečne absorbuje špičkové energie presahujúce 200 mJ.

Spoločne tieto funkcie umožňujú dosiahnuť účinnosť vyššiu ako 94 % v kompaktných a vysokonádejných zdrojoch napájania, pričom zároveň chránia pred katastrofálnymi udalosťami nadprúdového napätia.

Návrhové kompromisy: vyváženie výkonu a obmedzení Schottkyho diód

Kompenzácia medzi spätným únikovým prúdom a priamym napätím pri vysokých teplotách

To, čo spôsobuje tak nízke úbytky napätia v priamom smere (zvyčajne medzi 0,15 V a 0,45 V) týchto komponentov, je spojené aj s určitou kompromisnou zárukou, pokiaľ ide o reverzný unikajúci prúd (IR), najmä výrazne sa prejavujúci pri vyšších prevádzkových teplotách. Hlavnou príčinou je tu termoemisia na rozhraní kov–polovodič. Keď teplota prechodu stúpa, napríklad až približne na 125 °C, začneme pozorovať výrazný nárast unikajúcich prúdov v porovnaní s podmienkami izbovej teploty. V tomto prípade môže byť unikajúci prúd viac ako tisíckrát vyšší než pri bežných okolitých teplotách. Napätie v priamom smere však zostáva pomerne konštantné, preto si inžinieri musia dávať pozor na tento rastúci reverzný unikajúci prúd, ktorý sa môže stať hlavným zdrojom strát energie v ich návrhoch. Ak sa tomu nezabráni, môže to v budúcnosti viesť k vážnym tepelným problémom. Každý, kto pracuje na systémoch určených pre automobily, zariadenia pre automatizáciu výroby alebo dátové centrá, sa musí pri počítačových simuláciách aj pri testovaní prototypov za reálnych podmienok zohľadniť exponenciálny nárast tohto unikajúceho prúdu.

Obmedzenia napäťového zaťaženia a najlepšie postupy pre sníženie zaťaženia

Schottkyho diódy sú zásadne obmedzené maximálnym reverzným napätím (V _RRM ) – väčšina komerčných zariadení má hornú hranicu pod 200 V kvôli obmedzeniam výšky bariéry. Prekročenie V _RRM ohrozuje výboj v lavínovom režime a nezvratné poškodenie. Strategické zníženie zaťaženia je preto povinné:

• Štandardné priemyselné použitie : Vyberte diódy s napäťovým zaťažením aspoň o 20 % vyšším ako je maximálne napätie systému
• Aplikácie s vysokou spoľahlivosťou (lekárske, vojenské, letecké a vesmírne): Použite maržu zníženia zaťaženia 40–50 %
• Systémy s dynamickými prechodovými javmi : Spárujte s ochrannými prvkami proti prechodovým napätiam (TVS) pre prechodové impulzy s trvaním >100 ns

Teplotné zníženie výkonu je rovnako kritické — V _RRM tolerancia klesá, keď sa teplota uzla blíži k 150 °C. Presné modelovanie teplotného koeficientu počas návrhu DPS a tepelného návrhu zabraňuje neočakávanému poruchám v husto zabalených výkonových stupňoch.