Mababang Pasulong na Pagbaba ng Boltahe: Pagpapataas ng Kahusayan sa Mga Power Supply na may Mababang Boltahe

Pisika ng konduksyon sa Schottky barrier at binabawasan ang V _F

Ang mga diode na Schottky ay gumagana nang iba dahil bumubuo sila ng isang metal-semiconductor junction sa halip na ang karaniwang p-n junction na matatagpuan sa mga regular na diode. Ang kahulugan nito ay walang pangangailangan ng minority carrier injection, na nag-aalis sa mga nakakainis na depletion layer recombination losses na nararanasan natin sa mga tradisyonal na setup. Ano ang resulta? Ang majority-carrier conduction ay nangyayari gamit ang mas mababang barrier potential. Isipin mo: mga 0.15 volts hanggang 0.45 volts, samantalang ang mga karaniwang silicon diode ay nangangailangan ng 0.7 volts hanggang 1.1 volts. Ang mga electron ay dumadaloy nang tuwiran mula sa n-type semiconductor material papasok sa metal contact, kaya halos wala nang enerhiyang nabub waste sa prosesong ito. Kapag tinitingnan natin ang mga 5-volt power supply partikular, ang mga Schottky diode na ito ay maaaring bawasan ang forward voltage drop ng humigit-kumulang 60 porsyento hanggang 80 porsyento kumpara sa mga konbensyonal na opsyon. Ito ay nagdudulot ng tunay na pagkakaiba dahil ang conduction losses ay karaniwang pinakaproblematiko kapag hinaharap ang mga mababang boltahe at mataas na kasalukuyang sitwasyon.

Nasukat na mga pagtaas sa kahusayan: 2–5% sa mga converter ng 3.3V/5V DC-DC

Ang independiyenteng pagsubok sa paghahambing ng mga synchronous buck converter ay nagpapatunay ng pare-parehong mga pagpapabuti sa kahusayan sa antas ng sistema kapag ang mga Schottky diode ang pumalit sa mga silicon rectifier. Ang maraming pag-aaral noong 2023 sa mga disenyo para sa industriya at server-grade ay nagpakita ng mga pagtaas na 2–5%—na lalo pang malinaw sa mga output na 3.3V at 5V kung saan ang mga conduction losses ay nag-iiba nang berso sa voltage. Sa output na 20A, ang representatibong resulta ay:

Ang mga pagpapabuting ito ay direktang nagpapagaan sa pamamahala ng init sa mga aplikasyong may limitadong espasyo—kabilang ang mga power module ng server, automotive ECU, at portable electronics—kung saan ang bawat watt na naipatipid ay nagpapahaba ng buhay ng baterya ng 15–20%, ayon sa kamakailang field case studies.

Ultra-Mabilis na Pagbabago: Nagpapahintulot sa Mataas na Dalas at Kompaktong SMPS na Disenyo

Walang minority-carrier storage at sub-nanosecond na reverse recovery

Ang mga diode na Schottky ay gumagana nang iba kumpara sa karaniwang mga diode dahil ginagamit nila lamang ang mga majority carrier sa panahon ng conduction. Ang praktikal na kahulugan nito ay walang storage delay na kaugnay sa mga minority carrier. At iyon ang nagdudulot ng lahat ng pagkakaiba kapag tinutukoy ang mga nakakainis na reverse recovery current spikes—na talagang isang malaking problema para sa mga diode na may PN-junction. Ang reverse recovery time dito ay bumababa nang husto sa ilalim ng 1 nanosegundo, kaya ang mga diode na ito ay maaaring i-switch off nang malinis kahit kapag gumagana sa ilang megahertz. Halimbawa, sa mga buck regulator na gumagana sa paligid ng 500 kHz, nakikita natin ang humigit-kumulang 2 hanggang 5 porsyento na pagbaba sa switching losses kumpara sa mga sopistikadong ultrafast na silicon na alternatibo. Isang pag-aaral na inilathala noong nakaraang taon ng Power Electronics International ay sumusuporta sa mga pahayag na ito. Ang lahat ng mga pagpapabuti na ito ay nagreresulta sa nabawasang electromagnetic interference, mas malamig na gumaganang mga komponente, at mas mahusay na kakayahan sa power packing. Ang mga pakinabang na ito ay lubhang mahalaga sa mga sitwasyon kung saan mahirap ang heat management o kung kailangan ng kompakto at maipapasok sa maliit na espasyo ang mga solusyon sa kuryente.

Sumusuporta sa operasyon na >1 MHz kasama ang GaN at SiC power stages

Ang mga transistor na gawa sa gallium nitride (GaN) at silicon carbide (SiC) ay kayang magproseso ng mga dalas na lubos na lampas sa 1 MHz ngayon. Ngunit ang tunay na mahalaga para sa kanilang pagganap ay kung gaano kabilis ang paggana ng mga rectifier na ito. Ang mga Schottky diode na ginagamit natin dito, lalo na ang mga batay sa silicon carbide, ay may mga oras ng pagbawi na sinusukat sa mga bahagi ng isang nanosekundo. Ang mga ito ay umaayon nang halos perpekto sa mga punto ng pagpapalit ng mga device na GaN at SiC. Kapag nangyari ito, natitigil ang mga nakakainis na spike ng boltahe na lumilitaw kapag ang mga circuit ay nagbabago ng estado. Nakikita namin ang pagbaba ng electromagnetic interference ng humigit-kumulang 15 dB sa mga disenyo na tumatakbo sa ilang megahertz. At may isa pang benepisyo: ang mas mabilis na pagpapalit ay nangangahulugan ng mas maliit na mga transformer at inductor. Maaaring mabawasan ang sukat ng mga komponenteng ito ng higit sa 60% kumpara sa mga tradisyonal na sistema na 100 kHz. Kaya nga ang mga inhinyero ay lubos na umaasa sa mga Schottky diode para sa mga kompakto at mataas na kapasidad na power supply—na may kakayahang maglagay ng higit sa 1 kW sa isang yunit na sapat na maliit para mailagay sa isang server rack o sa isang charging station ng electric vehicle—habang pinapanatili pa rin ang mabuting antas ng kahusayan at maaasahang operasyon.

Mga Mahahalagang Aplikasyon: Pagwawasto at Pagpapalaya sa Modernong PSU

Synchronous rectification, OR-ing, at mga tungkulin ng clamp circuit

Ang mga Schottky diode ay gumagampan ng tatlong hindi mapapalitan na tungkulin sa mga modernong power supply unit (PSU):

• Synchronous rectification : Sa secondary side ng mga DC-DC converter, ang mababang forward voltage drop nito na 0.3–0.5 V ay nagpapabalik ng enerhiya na kung hindi man ay nawawala bilang init—nagpapataas ng kahusayan hanggang 4% sa mga 48V server PSU.
• OR-ing : Dahil sa mabilis na pag-switchover nito, ito ay naghihiwalay sa primary at backup power rails habang nagaganap ang failover, na nakakaiwas sa pinsalang reverse current flow sa mga redundant system.
• Mga clamp circuit : Sa mga flyback at resonant topology, ang mga Schottky diode ay binibigyan ng direksyon ang mga switching transients sa loob ng nanosegundo, na ligtas na sumusubok ng mga spike energy na lampas sa 200 mJ.

Kasama-sama, ang mga tungkuling ito ay nagpapahintulot ng >94% na kahusayan sa mga compact at mataas na katiyakan na PSU habang pinoprotektahan ang mga ito laban sa mga katastrofikong overvoltage event.

Mga Trade-off sa Disenyo: Pagbabalanse ng Performance at mga Limitasyon ng Schottky Diode

Kompromiso sa pagitan ng reverse leakage at forward voltage sa mataas na temperatura

Ang mga kadahilanan na nagpapababa ng pasulong na voltage drop ng mga komponenteng ito (karaniwang nasa pagitan ng 0.15V at 0.45V) ay may kasamang kapalit kapag pinag-uusapan ang reverse leakage current (IR), lalo na sa mas mataas na temperatura ng operasyon. Ang pangunahing sanhi nito ay ang thermionic emission na nangyayari sa interface ng metal at semiconductor. Habang tumataas ang temperatura ng junction—halimbawa, hanggang sa humigit-kumulang 125 degree Celsius—nagsisimula tayong makita ang malaking pagtaas ng leakage currents kumpara sa mga kondisyon sa temperatura ng silid. Sa puntong iyon, maaaring higit sa isang libong beses ang leakage kaysa sa mga halaga na nakikita sa normal na temperatura ng kapaligiran. Ang pasulong na voltage naman ay nananatiling medyo pare-pareho, kaya kailangan ng mga inhinyero na maging maingat sa patuloy na pagtaas ng reverse leakage, na maaaring maging pangunahing pinagmumulan ng power loss sa kanilang disenyo. Kung hindi ito kontrolin, maaaring magdulot ito ng seryosong mga problema sa init sa hinaharap. Ang sinuman na gumagawa ng mga sistema para sa mga kotse, kagamitan sa awtomatikong pabrika, o data center ay kailangang isaalang-alang ang eksponentyal na pagtaas ng leakage na ito parehong sa panahon ng computer simulation at sa pagsusuri ng mga prototype sa tunay na kondisyon ng mundo.

Mga limitasyon sa rating ng boltahe at pinakamahusay na pamamaraan sa pagbawas ng rating

Ang mga Schottky diode ay pangunahing limitado sa maximum reverse voltage (V _RRM )—ang karamihan sa komersyal na device ay naka-limit sa ilalim ng 200 V dahil sa mga limitasyon sa taas ng barrier. Ang paglabag sa V _RRM ay nagdudulot ng panganib ng avalanche breakdown at hindi mababalik na kabiguan. Kaya naman, ang estratehikong pagbawas ng rating ay sapilitan:

• Pangkaraniwang industriyal na gamit : Pumili ng mga diode na may rating na hindi bababa sa 20% na higit sa peak system voltage
• Mga aplikasyong may mataas na katiyakan (medikal, militar, aerospace): Gamitin ang 40–50% na derating margins
• Mga sistema na may dynamic transients : Idugtong sa mga transient voltage suppressor (TVS) para sa mga surge na mahigit sa 100 ns

Ang thermal derating ay kasing-kritikal—V _RRM ang toleransya ay bumababa habang ang temperatura ng sambayanan ay lumalapit sa 150°C. Ang tumpak na pagmomodelo ng temperature coefficient sa panahon ng pag-iilustra ng PCB at disenyo ng thermal ay nakakaiwas sa hindi inaasahang pagkabigo sa mga yugto ng kapangyarihan na may mataas na densidad.