Düşük İleri Gerilim Düşümü ile İletim Kayıplarının Azaltılması

Geleneksel PN Yüzeyli Diyotlarda Enerji Kaybının Anlaşılması

Standart PN jonksiyon diyotların ileri yönde genellikle 0,6 ile 1,0 volt arasında bir voltaj düşümü vardır ve bu büyük akımlarla çalışırken oldukça fazla enerji kaybına neden olur. Örneğin yaklaşık 0,7 voltluk bir düşüşe sahip sıradan bir silikon diyotu ele alalım. 10 amperlik bir akım akışında bu yalnızca ısı olarak yaklaşık 7 watt'lık bir güç kaybına dönüşür. TrrSemicon'un 2023 yılında yayınladığı araştırmaya göre, bu tür kayıplar belirli 48 voltluk güç sistemlerindeki tüm güç kayıplarının neredeyse üçte birini oluşturabilir. Bu sorunu daha da kötüleştiren şey, elektronlar ve oyukların PN jonksiyonunun içinde sürekli yeniden birleşmesi nedeniyle bu kayıpların oluşmasıdır. Özellikle daha düşük voltajlarda çalışan devreler için bu oldukça kötü haberdir çünkü bileşenler üzerindeki voltajdaki küçük azalmalar sistemin genel verimliliğini ciddi şekilde düşürebilir.

Schottky Diyotların Daha Düşük İleri Yönde Voltaj Düşümüyle İletim Kayıplarını Nasıl Azalttığı

Schottky diyotlar, metal yarı iletken eklemli çalışır ve ileri yönlü voltajlarını yaklaşık 0,3 volta kadar düşürebilir. Bu değer, normal PN diyotlarda gözlemlenen değere kıyasla aslında yaklaşık %57 daha düşüktür. Daha düşük voltaj, elektrik ilettiğinde daha az enerji kaybı anlamına gelir. Geçen yıl yapılan bir çalışma, farklı bileşenlerin verimliliğini inceledi ve oldukça etkileyici bir şey ortaya koydu. Mühendisler, doğru akım (DC) - doğru akım (DC) dönüştürücülerde silisyum diyotlar yerine Schottky diyotlar kullandıklarında, doğrultma sürecinde neredeyse %58 daha az kayıp gözlemlediler. Başka bir büyük avantaj ise bu diyotların herhangi bir azınlık taşıyıcısı depolamamasıdır; bu yüzden durum değiştirirken ters kurtulma kayıpları oluşmaz. Bu da onları hızlı anahtarlama gerektiren uygulamalarda özellikle kullanışlı hâle getirir.

Devre Tasarımında Güç Dağıtımı ve Isı Üretimi Üzerindeki Etkisi

Schottky diyotlar daha az güç tüketir ve bu da genel olarak daha az ısı üretildiği anlamına gelir. Bu azalma, geleneksel PN diyot düzenlemelerine kıyasla ısı yayıcıların kullanım ihtiyacını yaklaşık %40 oranında düşürür. Özellikle otomotiv uygulamalarında, 5 amper yüklerde jonksiyon sıcaklıklarının yaklaşık 15 santigrat derece düştüğünü gözlemleriz ve bu durum bu bileşenlerin araç sistemlerinde daha uzun ömürlü olmasına olanak tanır. Termal avantajlar ayrıca mühendislere fanlar veya diğer aktif soğutma yöntemlerine ihtiyaç duymadan %90'ın üzerinde verimlilik sağlayan daha küçük güç kaynakları tasarlamada daha fazla esneklik sağlar.

Verimlilik Kazançlarının Ölçülmesi: Gerçek Dünya Devrelerinde Schottky ve PN Diyotlarının Karşılaştırılması

Testler, Schottky diyotlarının, sinir bozucu ultra hızlı PN diyotlara kıyasla 12 volt ray uygulamalarında sistem verimliliğini %2,5 ila %4 arasında artırabileceğini göstermektedir. Örneğin, standart 100 watt'lık bir güç kaynağı Schottky doğrultucular kullanıldığında yaklaşık %93 verimle çalışırken, silikon diyotlar sadece yaklaşık %89'luk bir verim sağlayabilmektedir. Bu, sürekli çalıştırıldığında yılda yaklaşık 15,6 kilowatt saat tasarrufa çevrilebilir. 100 kilohertz'in üzerindeki daha yüksek frekanslı sistemlerde durumlar daha da iyi hale gelir. Geleneksel diyotlar burada hem anahtarlama hem de iletim kayıpları büyük oranda arttığı için avantajlarını kaybetmeye başlar ve bu zorlu uygulamalar için daha az uygun hale gelir.

Vaka Çalışması: Güç Kaynaklarında ve DC-DC Dönüştürücülerde Artırılmış Verimlilik

Bir telekom altyapı yükseltmesinde, Schottky diyotlar içeren 48V doğrultma modülleri %96 verimliliğe ulaştı ve bu, önceki tasarımlara göre %3,2'lik bir artış sağladı. 0,32V ileri yönde voltaj düşümü, manyetik bileşenlerin %22 daha küçük olmasına olanak sağladı ve 300W'lık ünitelerde zorlamalı hava soğutmasını ortadan kaldırdı. Bu sayede yıllık enerji maliyetleri istasyon başına 18.000 ABD doları azaldı ve 5G baz istasyonlarında %99,9 oranında çalışma süresi korundu.

Hızlı Kurtarma Özellikleriyle Anahtarlama Kayıplarının En Aza İndirilmesi

Yüksek frekanslarda anahtarlama kayıplarını azaltmada hızlı anahtarlama hızının rolü

Schottky diyotların ters kurtarma süreleri oldukça kısadır ve genellikle 100 nanosaniyenin altındadır. Bu süre, normal PN diyotlara kıyasla yaklaşık 50 ila 100 kat daha hızlıdır. Bu hız sayesinde, gerilimde ani değişimler olduğunda çok daha az enerji kaybı yaşanır. Hızlı tepki süresi, kutuplar ters yöne döndüğünde diyotun neredeyse hemen iletmeyi durdurması anlamına gelir. Yapılan testler, 100 kHz'in üzerinde çalışan DC-DC dönüştürücülerde bu durumun geçici güç kayıplarını yaklaşık yüzde 30'ların biraz üzerinde düşürebileceğini göstermektedir. Anahtarlamalı mod güç kaynakları (SMPS) üzerine yapılan birçok çalışma bunu desteklemektedir, ancak kesin rakamlar uygulamaya göre değişiklik gösterebilir.

PWM ve SMPS uygulamalarında yavaş kurtarmalı PN diyotlarla performans karşılaştırması

PWM motor sürücüler söz konusu olduğunda, Schottky diyotlar eski tip yavaş kurtarma PN diyotlara kıyasla yaklaşık %40 oranında anahtarlama kayıplarını azaltır. 2023 yılında yapılan bir araştırma, buck dönüştürücülere odaklanarak ilginç bir şey keşfetti - Schottky diyotlar kullanıldığında bu sistemlerin verimliliklerinin yaklaşık %92'ye ulaştığını, buna karşılık PN versiyonların sadece yaklaşık %85 civarında kaldığını gösterdi. Dahası, frekanslar 500 kHz'in üzerine çıkıldığında bu fark daha da belirgin hale gelir. Bu hızlı çalışma özelliği, özellikle dar voltaj kontrolünün çok önemli olduğu telekom güç sistemleri için Schottky diyotları oldukça kullanışlı hale getirir. Sinyal kalitesini bozan dalgalanmalar olmadan kararlı güç kaynağına ihtiyaç duyan cep telefonu kulelerini düşünün.

Verimlilik gereksinimleri nedeniyle anahtarlamalı güç kaynaklarında benimsenme oranı artıyor

AB Lot 9 gibi küresel enerji düzenlemelerinin etkisiyle Schottky diyotlar, günümüzde 1kW'ın altındaki SMPS tasarımlarının %68'inde kullanılmaktadır. Verified Market Research, üreticilerin kompakt, fanlı olmayan adaptörleri tasarlamak için üstün termal performanslarından yararlanmalarıyla birlikte, yenilenebilir enerji sistemlerinde yüksek hızlı diyotların 2028 yılına kadar yıllık bileşik büyüme oranının (CAGR) %25 olmasını öngörmektedir.

Enerji Verimli Düşük Gerilim ve Pille Çalışan Sistemleri Etkinleştirme

Modern düşük gerilim elektroniklerinde gerilim başlık boşluğu zorlukları

Elektronik devreler yaklaşık 1.8V ve 3.3V gibi düşük voltajlarda çalışmaya başladığında, eski tip PN diyotlar sorun yaratmaya başlar çünkü sadece orada dururken yaklaşık 0.7V'yu harcar. Şotki diyotlar bu sorunu oldukça iyi çözer; ileri yönde düşüşleri yaklaşık 0.3V civarında olduğundan, bu değerli voltaj aralığının %30 ila %50'sini tasarruf etmeyi sağlar. Bataryalar düşük olduğunda bu fark özellikle önem kazanır. Kalp pilleri ya da diğer implant tıbbi cihazlar gibi uygulamalarda bile en küçük değişimler büyük fark yaratır. Çalışmalar, voltajın %1'den fazla dalgalanması durumunda, vücut içinde gerçekleşen olayları ölçen sensörlerin okuma hassasiyetinin bozulmaya başladığını göstermektedir. Bu düzeydeki hassasiyet, güvenilir hasta izleme için sadece isteğe bağlı değil, kesinlikle gerekli bir özelliktir.

Şotki doğrultma kullanarak taşınabilir cihaz performansının optimize edilmesi

Schottky diyotların düşük ileri yönde voltaj düşüşü ve hızlı anahtarlama özellikleri, taşınabilir cihazlarda doğrultma kayıplarını yaklaşık %40 oranında azaltır. 2022 yılında yayımlanan güç verimliliği araştırmasına göre, şarj devrelerinde bu diyotları kullanan akıllı telefonlar, dikkat çekici bir şekilde %94'lük enerji dönüşüm oranına ulaşırken, geleneksel PN diyotlar sadece yaklaşık %86 oranında kalır. Peki bu, tüketiciler için aslında ne anlama gelir? Sıcaklık dağıtan ısınma plakalarının çıkıntılı olduğu kalın cihazlardan kurtulmak, 5G ağları üzerinden yayın yapma ya da grafik yoğun uygulamalar çalıştırma gibi yoğun işlemler sırasında bile işlemcilerin güçlü bir şekilde çalışmaya devam etmesini sağlarken, daha ince telefonlar elde etmek demektir.

Schottky diyotları kullanarak pil ömrünü en üst düzeye çıkarmak için tasarım stratejileri

Pil kullanım süresini uzatmak için mühendisler üç temel strateji uygular:

1. Çalışma akımlarında <0.4V ileri yönde voltaj değerine sahip diyotları seçmek
2. Ters kaçak akımı (<100µA) anahtarlama frekansı ihtiyaçları ile dengelemek
3. Güç kapatmalı devrelerde çalışma döngüsü kontrolünü uygulamak

Saha testleri, bu yaklaşımların endüstriyel PDA'lerde lityum-iyon pil ömrünü %15–20 oranında uzattığını göstermektedir ve enerji açısından kısıtlı ortamlarda Schottky diyotlarının rolünü vurgulamaktadır.

Güç Dönüştürmeyi ve Yenilenebilir Enerji Uygulamalarını Geliştirme

AC-DC ve DC-DC dönüşüm topolojilerinde verimli güç doğrultma

Schottky diyotları, elektrik dönüştürülürken ortaya çıkan can sıkıcı voltaj düşüşlerini azalttıkları için hem AC-DC hem de DC-DC güç sistemlerinde performansı artırır. Yeni konverter tasarımlarına yönelik araştırmalar, özellikle 100 kHz'in üzerindeki frekanslarda çalışan buck/boost yapılandırmalarında, IntechOpen tarafından 2024 yılında yayınlanan son çalışmalara göre, bu diyotların sıradan PN eklem diyotlarına kıyasla sistemin yaklaşık %12 ila %15 daha iyi çalışmasını sağlayabildiğini göstermektedir. Bunları bu kadar etkili kılan şey, 10 amper gibi önemli akımlarla uğraşırken bile yaklaşık 0,3 ila 0,4 voltluk düşük ileri yönlü voltaj düşüşüdür ve bu da tüm voltaj dönüştürme süreci boyunca daha az enerji kaybı anlamına gelir.

Güneş panellerinde ters akımı önleme: Fotovoltaik sistemlerde Schottky diyotları

Güneş dizilerinde Schottky diyotları, düşük ışık koşullarında ters akımı engelleyerek korunmasız sistemlere kıyasla gece enerji kaybını %72'ye kadar azaltır. Gölgeleme olaylarına hızlı tepkisi (<50ns), hücreleri sıcak nokta ısınmasına karşı korurken günlük enerji çıktısının %98,5'ini korur (Solar Energy Journal 2023).

Güneş hücre dizilerinde bypass diyotu olarak Schottky diyotlarının kullanımı

60 hücreli modüllere bypass diyotu olarak entegre edildiğinde Schottky türleri kısmi gölgelemeden kaynaklanan güç kaybını %40–60 oranında azaltır. Düşük termal direnci (1,5°C/W), 85°C ortam sıcaklığında derecelendirme kaybı olmadan sürekli çalışma imkanı sunar ve bu da uzun vadeli güvenilirliğin küçük kaçak akım artışlarının üzerinde olduğu büyük ölçekli tesisler için ideal hale getirir.

Verimlilik kazançları ile kaçak akım arasındaki dengenin değerlendirilmesi

Schottky diyotlarının silikon diyotlara göre 2–5 kat daha yüksek ters kaçak akımı olmasına rağmen, modern tasarımlar bunu şu yollarla azaltır:

• Sıcaklık telafili bariyer mühendisliği (-0,02 mV/°C katsayısı)
• Kenar sızıntısını %80 oranında azaltan koruma halkası yapıları
• V'yi optimize etmek için seçici epi-tabaka katkılanması _F /I_R denge

Bu gelişmeler, 25°C'de 100µA sızıntı olmasına rağmen MPPT şarj denetleyicilerinde %94 sistem verimliliği sağlar (Renewable Energy Focus 2024).

Schottky tabanlı devrelerde azaltılmış güç kaybı nedeniyle daha düşük termal stres

Şotki diyotlar, geleneksel PN diyotlara göre yaklaşık yarısı kadar güç harcar çünkü bunların ileri yönde düşen voltaj düşüşü 0.7 ila 1.1 volt olan normal değerler yerine 0.3 ila 0.4 volt civarında olur. Bu ne anlama gelir? Daha az ısı üretilir demektir. 10 amper akım akışında, bu Şotki diyotlar sadece 3 ila 5 watt ısı üretirken, silikon temelli diyotlar geçen yıl Power Electronics Journal'da yayımlanan son çalışmalara göre 7 ila 11 watt arasında değişen ısı yayar. Isı birikimi fazla olmadığı için bu bileşenler, performans ayarı yapmaya gerek kalmadan sıcaklıkların 125 santigrat dereceye ulaştığı durumlarda bile güvenilir şekilde çalışabilir. Bu nedenle, kapalı kutuların içinde ya da aşırı ısının zamanla sorun yarattığı otomobillerin kaputu altında gibi sıcaklığın yüksek olduğu durumlar için idealdir.

Kompakt Tasarımlar için Fırsatlar: Daha Küçük Isı Yayıcıları ve Daha Yüksek Güç Yoğunluğu

Güç kayıplarını %40–%60 oranında azaltarak Schottky diyotları, DC-DC dönüştürücülerde soğutucu blok kütlesi gereksinimlerini %30–%50 oranında düşürür. Tasarımcılar bu nedenle:

• Alüminyum soğutucu blokları daha hafif sac parçalar veya polimer kompozitlerle değiştirebilir
• Sunucu güç kaynaklarında güç yoğunluğunu 8 W/in³'ten 12 W/in³'e çıkarabilir
• 100 W'ın altındaki taşınabilir cihazlarda aktif soğutmayı ortadan kaldırabilir

Bu avantajlar, PCB alanı kısıtlamalarının yüksekliği 5 mm'nin altında bileşenler gerektirdiği nesnelerin interneti (IoT) sensörleri ve giyilebilir cihazlar gibi bir sonraki nesil uygulamalara destek olur.

SSS

Diyotlardaki iletim kayıpları nedir?

İletim kayıpları, diyot üzerinden akım geçtiğinde, özellikle diyot üzerindeki ileri yönde gerilim düşümü nedeniyle ısı olarak kaybolan enerjiyi ifade eder.

Schottky diyotları güç tüketimini nasıl azaltır?

Schottky diyotlarının geleneksel PN eklem diyotlarına kıyasla daha düşük ileri yönde gerilim düşümü vardır ve bu da elektrik iletilirken enerji kaybının azalmasına neden olur.

Schottky diyotlarının kullanımı hangi uygulamalara fayda sağlar?

Schottky diyotlar, yüksek frekanslı uygulamalar, güç kaynakları, DC-DC dönüştürücüler, düşük voltajlı elektronik devreler, güneş panelleri ve yüksek verimlilik ile hızlı anahtarlama gerektiren sistemlerde avantajlıdır.