Низька пряма напруга: підвищення ефективності в низьковольтних джерелах живлення

Фізика провідності бар’єру Шотткі та зниження V _Ф

Шотткі-діоди працюють інакше, оскільки вони утворюють метал-напівпровідниковий перехід замість звичайного p-n-переходу, що зустрічається в звичайних діодах. Це означає, що немає потреби в інжекції неосновних носіїв заряду, що усуває ті неприємні втрати на рекомбінацію в обмежувальному шарі, які спостерігаються в традиційних схемах. Результат? Провідність за рахунок основних носіїв заряду відбувається при значно нижшому потенціальному бар’єрі. Подумайте про це: приблизно 0,15–0,45 В порівняно з 0,7–1,1 В для стандартних кремнієвих діодів. Електрони просто безпосередньо проходять із напівпровідникового матеріалу n-типу прямо в металевий контакт, тож енергія майже не втрачається під час цього процесу. Зокрема у випадку блоків живлення на 5 В такі шотткі-діоди можуть зменшити пряме падіння напруги на 60–80 % порівняно зі звичайними аналогами. Це має справжнє значення, оскільки втрати на провідність найбільш проблематичні саме при роботі з низькими напругами та високими струмами.

Виміряні підвищення ефективності: 2–5 % у перетворювачах постійного струму 3,3 В/5 В

Незалежне тестування синхронних понижувальних перетворювачів підтверджує стабільні покращення ефективності на рівні системи, коли шотткі-діоди замінюють кремнієві випрямлячі. Кілька досліджень 2023 року, проведених у промислових та серверних конструкціях, показали підвищення ефективності на 2–5 % — особливо виражене при вихідних напругах 3,3 В і 5 В, де втрати на провідність залежать обернено пропорційно від напруги. При вихідному струмі 20 А типові результати такі:

Ці покращення безпосередньо полегшують теплове управління в застосуваннях із обмеженим простором — зокрема в модулях живлення серверів, електронних блоках керування автомобілями (ECU) та портативних електронних пристроях, де кожен збережений ват сприяє подовженню терміну роботи акумулятора на 15–20 %, згідно з останніми польовими дослідженнями.

Надшвидке перемикання: забезпечує високочастотні компактні конструкції імпульсних джерел живлення (SMPS)

Відсутність накопичення міноритарних носіїв заряду та зворотне відновлення за час менше наносекунди

Шотткі-діоди працюють інакше, ніж звичайні діоди, оскільки під час провідності вони використовують лише основні носії заряду. На практиці це означає, що відсутня затримка, пов’язана зі зберіганням неосновних носіїв заряду. І саме це й робить усю різницю, коли йдеться про ті неприємні сплески зворотного відновлювального струму, які, по суті, є серйозною проблемою для діодів з p-n-переходом. Час зворотного відновлення в таких діодів знижується значно нижче 1 наносекунди, тому вони можуть вимикатися чисто навіть при роботі на кількох мегагерцах. Наприклад, у понижувальних регуляторах, що працюють у діапазоні частот близько 500 кГц, спостерігається зниження втрат при перемиканні на 2–5 % порівняно зі «супершвидкими» кремнієвими аналогами. Це підтверджує дослідження, опубліковане минулого року в журналі Power Electronics International. Усі ці покращення призводять до зменшення електромагнітних перешкод, нижчої робочої температури компонентів та підвищення щільності потужності. Ці переваги мають велике значення в ситуаціях, де керування тепловиділенням ускладнене або коли обмежені розміри вимагають компактних рішень у сфері живлення.

Підтримка роботи з частотою понад 1 МГц за допомогою силових каскадів на основі GaN і SiC

Транзистори, виготовлені з нітриду галію (GaN) та карбіду кремнію (SiC), сьогодні можуть працювати на частотах значно вищих за 1 МГц. Однак справжнім чинником, що визначає їхню продуктивність, є швидкість роботи цих випрямлячів. Шотткі-діоди, які ми використовуємо тут, зокрема ті, що базуються на карбіді кремнію, мають час відновлення, вимірюваний долями наносекунди. Вони практично ідеально узгоджуються з моментами перемикання пристроїв на основі GaN та SiC. У такому разі вдається усунути ті неприємні сплески напруги, що виникають під час зміни стану кіл. У проектах, що працюють на кількох мегагерцах, рівень електромагнітних перешкод знижується приблизно на 15 дБ. Є й інша перевага: швидше перемикання дозволяє використовувати менші трансформатори та індуктивності. Розміри цих компонентів можуть скоротитися більш ніж на 60 % порівняно з традиційними системами, що працюють на частоті 100 кГц. Саме тому інженери так сильно покладаються на діоди Шотткі для компактних блоків живлення, які забезпечують потужність понад 1 кВт у корпусі, достатньо малому, щоб розміститися в серверній стійці або на станції заряджання електромобілів, зберігаючи при цьому високий ККД та надійність роботи.

Критичні застосування: випрямлення та вільне обертання в сучасних блоках живлення (PSU)

Синхронне випрямлення, функція «OR-ing» та роль у кламп-схемах

Шотткі-діоди виконують три незамінні функції в сучасних блоках живлення (PSU):

• Синхронне випрямлення : На вторинному боці перетворювачів постійного струму (DC-DC) їх низьке пряме падіння напруги — 0,3–0,5 В — дозволяє відновлювати енергію, яка інакше б розсіювалася у вигляді тепла, підвищуючи ККД до 4 % у серверних PSU на 48 В.
• Функція «OR-ing» : Їх швидке перемикання ізолює основну та резервну шини живлення під час переходу на резерв, запобігаючи шкідливому зворотному струму в системах з резервуванням.
• Кламп-схеми : У топологіях зі зворотним ходом (flyback) та резонансних топологіях шотткі-діоди відводять комутаційні перехідні процеси протягом наносекунд, безпечно поглинаючи імпульсну енергію понад 200 мДж.

Разом ці функції забезпечують ККД понад 94 % у компактних, високонадійних блоках живлення (PSU), а також захищають від катастрофічних подій перевищення напруги.

Компроміси в проектуванні: поєднання переваг і обмежень шотткі-діодів

Компроміс між зворотним струмом витоку та прямим напругою при високій температурі

Те, що забезпечує цим компонентам такі низькі падіння напруги в прямому напрямку (зазвичай у діапазоні від 0,15 В до 0,45 В), супроводжується й компромісом щодо зворотного струму витоку (IR), особливо помітним при підвищених робочих температурах. Основною причиною цього є термоелектронна емісія на межі «метал–напівпровідник». Коли температура p-n-переходу підвищується, наприклад, до приблизно 125 °C, струм витоку починає різко зростати порівняно з умовами кімнатної температури. У цьому випадку струм витоку може перевищувати значення при нормальних навколишніх температурах більш ніж у тисячу разів. При цьому напруга в прямому напрямку залишається досить стабільною, тож інженерам слід звернути увагу на те, що зростаючий зворотний струм витоку може стати основним джерелом втрат потужності в їхніх конструкціях. Якщо цей ефект не контролювати, це згодом може призвести до серйозних теплових проблем. Спеціалістам, які працюють над системами для автомобілів, обладнанням для автоматизації виробництва або центрами обробки даних, дійсно необхідно враховувати експоненційне зростання цього струму витоку як під час комп’ютерного моделювання, так і під час випробувань прототипів у реальних умовах.

Обмеження щодо номінальної напруги та кращі практики зниження навантаження

Шотткі-діоди принципово обмежені максимальною зворотною напругою (V _РРМ ) — для більшості комерційних приладів цей показник не перевищує 200 В через обмеження висоти потенціального бар’єру. Перевищення V _РРМ загрожує лавинним пробоєм і незворотним пошкодженням. Тому стратегічне зниження навантаження є обов’язковим:

• Стандартне промислове використання : вибирати діоди з номінальною напругою, що перевищує пікову напругу системи щонайменше на 20 %
• Застосування у високонадійних системах (медичне обладнання, військова та авіаційно-космічна техніка): застосовувати запас зниження навантаження в межах 40–50 %
• Системи з динамічними перехідними процесами : комбінувати з обмежувачами перенапруги (TVS) для сплесків тривалістю понад 100 нс

Термічне зниження номінальних значень є однаково критичним — V _РРМ допустиме відхилення зменшується, коли температура переходу наближається до 150 °C. Точне моделювання температурного коефіцієнта під час розведення друкованої плати та теплового проектування запобігає неочікуваному пробою в щільно упакованих силових каскадах.