کیسے شاٹکی ڈائیوڈز الیکٹرانکس میں سوئچنگ کی کارکردگی کو بہتر بناتے ہیں

طاقت الیکٹرانکس میں سوئچنگ کارکردگی اور شافٹی ڈائیوڈ کے کردار کی وضاحت

سويچنگ کی کارکردگی سے مراد الیکٹرانک نظام کے مختلف موصلیت کی حالت میں منتقل ہونے کے دوران جتنا ممکن ہو اتنی کم توانائی ضائع کرنا ہوتا ہے۔ شاٹکی ڈایودز کو خاص بناتا ہے ان کا دھات سے نیم موصل کا خصوصی کنکشن۔ اس ڈیزائن کی وجہ سے عام PN ڈایودز میں پائی جانے والی مائنارٹی کیرئیر اسٹوریج کی تاخیر ختم ہو جاتی ہے۔ گزشتہ سال سیمی کنڈکٹر کی کارکردگی پر کچھ تحقیق کے مطابق، DC-DC کنورٹرز میں استعمال ہونے پر یہ شاٹکی ڈایودز تقریباً 98 فیصد کارکردگی تک پہنچ سکتے ہیں۔ یہ کافی متاثر کن ہے کیونکہ وہ پرانی ڈایود ٹیکنالوجی کے مقابلے میں حرارتی تناؤ کو تقریباً 30 سے لے کر 40 فیصد تک کم کر دیتے ہیں۔ اس قسم کی بہتری سسٹم کی قابل اعتمادی اور طویل عمر کے لحاظ سے بہت اہمیت رکھتی ہے۔

بنیادی فوائد: کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ اور تقریباً صفر ریورس ریکوری ٹائم

دو اہم خصوصیات شاٹکی ڈایودز کی برتری کی وضاحت کرتی ہیں:

1. کم فارورڈ وولٹیج (Vf) : عام طور پر 0.15–0.45V , سلیکان PN دایود کے مقابلے میں 0.7–1.1V، جو کم وولٹیج کے اطلاق میں موصلیت کے نقصانات کو 50% تک کم کر دیتا ہے۔
2. تقریباً صفر ریورس ریکوری کا وقت : ذخیرہ شدہ چارج کی عدم موجودگی سوئچنگ کی تاخیر کو ساب نینو سیکنڈ سطح تک کم کر دیتی ہے، جیسا کہ حالیہ پاور الیکٹرانکس کی تحقیق میں تصدیق کی گئی ہے۔

یہ خصوصیات انہیں بیٹری سے چلنے والی اشیاء میں ناقابل فہم بناتی ہیں، جہاں توانائی کا تحفظ براہ راست چلنے کے دورانیے کو متاثر کرتا ہے۔

حقیقی دنیا کے اطلاق میں روایتی PN جنکشن دایود کے ساتھ موازنہ

خصوصیت	شاتکی ڈائیوڈ	PN جنکشن دایود
فورورڈ وولٹیج	0.15–0.45V	0.7–1.1V
ریورس ریکوری	<1 ns	50–500 ns
5V پر کارکردگی	95–98%	80–85%

سورجی انورٹرز اور موٹر ڈرائیوز میں، شاٹکی ڈایودس تمام نظام کے نقصانات کو 12–18 فیصد تک کم کر دیتے ہیں، جبکہ ان کی تیز رفتار سوئچنگ کرنے کی وجہ سے الیکٹرومیگنیٹک تداخل (EMI) کم ہوتا ہے۔ تاہم، ان کا زیادہ ریورس رساؤ کرنٹ (µA کی حد میں) بلند درجہ حرارت کے ماحول میں احتیاط سے حرارتی ڈیزائن کا متقاضی ہوتا ہے۔

تیز سوئچنگ کی رفتار اور گزراؤ نقصانات میں کمی

اقلیتی کیریئر اسٹوریج کی عدم موجودگی کیسے انتہائی تیز سوئچنگ کو ممکن بناتی ہے

شاٹکی ڈایودس اپنی دھات-نیم موصل جوڑ کی ساخت کے ذریعے اقلیتی کیریئر اسٹوریج کو ختم کر دیتے ہیں، جس سے 10 نینو سیکنڈ سے کم گزراؤ کے وقت ممکن ہوتے ہیں۔ یہ ذاتی خصوصیت PN جوڑوں سے وابستہ چارج اسٹوریج کی تاخیر سے بچ کر روایتی ڈایودس کے مقابلے میں تیز سوئچنگ کی اجازت دیتی ہے۔

کارکردگی کی پیمائش: اُبھرنے کا وقت، گرنے کا وقت، اور سوئچنگ نقصانات پر اثر

انجنیئرز سوئچنگ کی کارکردگی کو رائز/فال ٹائم پیمائش کے ذریعے مقدار میں ظاہر کرتے ہیں، جس میں صنعتی معیاری اعداد و شمار یہ ظاہر کرتے ہیں کہ شاٹکی ڈائیوڈز سلیکان کے مطابق 70 فیصد تیز سوئچنگ ٹرانزیکشنز حاصل کرتے ہیں۔ ٹرانزیکشن ٹائم میں کمی سے سوئچنگ لوسز میں کمی ہوتی ہے، ہائی فریکوئنسی ایپلی کیشنز میں ہر سوئچنگ سائیکل پر 1.2 ویٹ تک بچایا جا سکتا ہے۔

مطالعہ مکمل: ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز میں بہترین عارضی ردعمل

ایک حالیہ مطالعہ میں یہ ثابت کیا گیا کہ شاٹکی ڈائیوڈز لوڈ ٹرانزیٹس کے دوران وولٹیج اوور شوٹ میں کمی کے ذریعے ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز کی کارکردگی میں 18 فیصد تک اضافہ کرتے ہیں۔ یہ کارکردگی میں بہتری ڈائیوڈ کی صلاحیت کی وجہ سے ہوتی ہے جو 5 نینو سیکنڈ کے اندر ریورس ریکوری اسپائیکس کو کلیمپ کر دیتی ہے، 500 کلوہرٹز سے زیادہ سوئچنگ ماحول میں استحکام برقرار رکھتے ہوئے۔

کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ اور کنڈکشن لوس میں کمی

شِتکی ڈائیڈس وہاں بہت اچھی کارکردگی کا مظاہرہ کرتے ہیں جہاں سوئچنگ کی کارکردگی کی بات آتی ہے کیونکہ ان کا فارورڈ وولٹیج ڈراپ (وولٹیج فارورڈ) بہت کم ہوتا ہے۔ یہ وولٹیج 0.15 سے لے کر 0.45 وولٹ تک ہوتا ہے، جبکہ عام سلیکان PN ڈائیڈس کو 0.7 سے 1.2 وولٹ کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ فارورڈ وولٹیج میں تقریباً 60 سے 75 فیصد کمی آتی ہے، جس کی وجہ سے آپریشن کے دوران گرمی کے طور پر توانائی کا نقصان بہت کم ہوتا ہے۔ 2023 میں آئی ای ای ای کی طرف سے شائع کیے گئے کچھ تحقیقی مقالے کے مطابق، وہ سسٹمز جن میں شِتکی ڈائیڈس استعمال کیے جاتے ہیں، زیادہ کرنٹ والی صورت حالوں میں تھرمل مینجمنٹ اخراجات میں تقریباً 37 فیصد کی بچت کرتے ہیں، بالکل اسی خصوصیت کی وجہ سے۔

کم فارورڈ وولٹیج (وی ایف) سے طاقت کے نقصان میں کمی اور تھرمل کارکردگی میں بہتری کیسے ہوتی ہے

شٹکی ڈائیوڈز مختلف انداز میں کام کرتے ہیں کیونکہ ان کا دھات-سمی کنڈکٹر جنکشن مائنارٹی کیریئرز کو محفوظ نہیں رکھتا، اس کا مطلب ہے کہ وہ بہت تیزی سے حالت تبدیل کر سکتے ہیں جبکہ ان پر وولٹیج ڈراپ کو نسبتاً کم رکھتے ہیں۔ جب اصل کارکردگی کے پیمانے کی بات کی جاتی ہے، تو 0.1 وولٹ سے فارورڈ وولٹیج (Vf) کو کم کرنا 5 ایمپیئر پر آپریٹ کرنے کے دوران تقریباً 18 فیصد تک کنڈکشن نقصانات میں کمی کا باعث جاتا ہے۔ یہی وجہ ہے کہ یہ اجزاء جدید 48 وولٹ سرور پاور سسٹمز کے لیے اتنے اہم بن چکے ہیں۔ ایک عام شٹکی ڈائیوڈ میں صرف 0.3 وولٹ ڈراپ ہوتا ہے جبکہ سلیکان کے متبادل اجزاء میں تقریباً 0.7 وولٹ کا نقصان ہوتا ہے۔ اس چھوٹے سے فرق کو ڈیٹا سینٹر میں تمام ریکس پر ضرب دیں اور ہم سالانہ فی ریک 24 واٹس بچانے کی بات کر رہے ہیں، جو وقتاً فوقتاً کافی زیادہ ہو جاتا ہے۔

موبائل اور بیٹری سے چلنے والی اشیاء میں کارکردگی کے فوائد کا تعین

کم فارورڈ وولٹیج (Vf) کی وجہ سے شاٹکی ڈائیوڈز عام ڈائیوڈز کے مقابلے میں اسمارٹ فون کی تیز رفتار چارجنگ سرکٹس میں بیٹری کی زندگی کو تقریباً 15 سے لے کر 20 فیصد تک بڑھا سکتے ہیں۔ حالیہ 2023 کی ٹیک انسائٹس رپورٹ کے مطابق، GaAs شاٹکی پر مبنی USB-PD کنٹرولرز نے تقریباً 94.1% کی مؤثریت حاصل کی جبکہ سلیکان ورژن صرف 88.6% تک محدود رہے۔ دلچسپ بات یہ ہے کہ خودکار بجلی کے سوئچ کے استعمال میں بھی اسی طرح کے نتائج سامنے آئے جہاں بہتر ڈائیوڈ کے انتخاب نے الیکٹرک وہیکل کی بیٹری کی زندگی کو تقریباً 12 فیصد تک بڑھا دیا، جیسا کہ ایک خاص معاملہ مطالعہ میں درج ہے۔ یہ اعداد و شمار واقعی یہ ظاہر کرتے ہیں کہ مختلف صنعتوں میں بہتر کارکردگی کے لیے پیشہ ور ادارے ان مخصوص اجزاء کی طرف کیوں متوجہ ہو رہے ہیں۔

ڈیزائن کا سودا: کم فارورڈ وولٹیج کو زیادہ ریورس رساؤ والے کرنٹ کے ساتھ متوازن کرنا

جبکہ 0.3V سے کم Vf صلاحیت میں بہتری لاتا ہے، ڈیزائنرز کو ریورس رساؤ والے کرنٹ میں نمائندہ اضافے کا خیال رکھنا ہوتا ہے—125°C پر 100µA تک کا، جبکہ ہائی وولٹیج سلیکان ڈائیودز میں <1µA ہوتا ہے۔ جدید حل جیسے سلیکون کاربائیڈ (SiC) شاٹکی ڈائیودز وسیع بینڈ گیپ مواد کے ذریعے اس کو کم کرتے ہیں، جو 175°C جنکشن درجہ حرارت پر بھی <10µA رساؤ برقرار رکھتے ہیں۔

سويچ ماڈ پاور سپلائز اور ہائی فریکوئنسی سرکٹس میں اہم درخواستیں

SMPS اور DC-DC کنورٹرز کی صلاحیت میں بہتری لانے میں شاٹکی ڈائیودز کا کردار

شافٹی ڈائیوڈز سوئچ موڈ پاور سپلائز (SMPS) اور ڈی سی تا ڈی سی کنورٹرز کی کارکردگی میں نمایاں بہتری لاتے ہیں کیونکہ وہ تولیدی نقصانات کو کم کر دیتے ہیں۔ ان کی خصوصیت ان کا انتہائی کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ ہے، جو حالیہ 2023 کی تحقیق کے مطابق عام ڈائیوڈز کے مقابلے میں تقریباً 20 فیصد توانائی کے ضیاع کو کم کر دیتا ہے۔ جب ہم ڈی سی تا ڈی سی باک کنورٹرز کی صورت میں دیکھیں، تو یہ شافٹی ڈائیوڈز وولٹیج کی سطح کو زیادہ ہموار رکھنے اور نظام کے درجہ حرارت کو کم رکھنے میں مدد کرتے ہیں۔ یہ فرق زیادہ تعدد (فریکوئنسی) پر اور بھی واضح ہوتا ہے جہاں آج کل کے زیادہ تر جدید ڈیزائن 1 MHz سے زیادہ پر کام کرتے ہیں۔

کارکردگی کے فوائد: ای ایم آئی کمی، حرارتی انتظام اور قابل اعتمادی

شافٹکی ڈائیوڈز کا تقریباً کوئی ریورس ری کوری وقفہ نہیں ہوتا جس کا مطلب ہے کہ سوئچنگ کے وقت وہ پریشان کن وولٹیج اسپائیکس پیدا نہیں کرتے۔ اس سے صنعتی طاقت کے بہت سے انتظامات میں برقی مقناطیسی تداخل (EMI) تقریباً 30 فیصد تک کم ہو جاتا ہے۔ کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ کی وجہ سے حرارت بھی کم پیدا ہوتی ہے، اس لیے انجینئرز چھوٹی مصنوعات کی ڈیزائنگ کر سکتے ہیں جن میں اضافی تبرید کے حل درکار نہیں ہوتے، جو دن بھر ہمارے ساتھ رہنے والی گیجٹس کے لیے بہت اہم ہے۔ حالیہ کچھ جانچ کے نتائج ظاہر کرتے ہیں کہ ٹیلی کام کے آلات میں مسلسل 10,000 گھنٹے چلنے کے بعد ان ڈائیوڈز کے آن لائن رہنے کا تناسب تقریباً 98.5 فیصد رہتا ہے، حالانکہ حقیقی دنیا کے حالات لیب کے نتائج سے تھوڑا مختلف ہو سکتے ہیں۔

خودکار نظام اور تجدید پذیر توانائی کی بنیادی ڈھانچے میں بڑھتی ہوئی منظوری

کار سازوں نے آج کل Schottky diodes کو الیکٹرک گاڑیوں کے بیٹری مینجمنٹ سسٹم اور بورڈ چارجرز میں ڈالنا شروع کر دیا ہے کیونکہ وہ اتنی تیزی سے سوئچ کرتے ہیں کہ یہ اجزاء 800V DC فاسٹ چارجنگ سیٹ اپ کے ساتھ کام کرتے وقت تقریبا 99 فیصد کارکردگی تک پہنچ سکتے ہیں۔ جب بات شمسی پینل کی ہو تو، سلیکون کاربائڈ (سی آئی سی) شوٹکی ڈایڈس سے لیس انورٹرز بڑے پیمانے پر تنصیبات میں شمسی روشنی سے تقریبا 2 فیصد زیادہ توانائی حاصل کرنے میں کامیاب ہوتے ہیں جو کہ قابل تجدید توانائی کی ٹیکنالوجی پر 2024 سے حالیہ رپورٹوں کے مطابق ہے۔ آگے دیکھتے ہوئے، ہم ان ہی قسم کے ڈایڈس کو نئی جگہوں پر بھی دیکھ رہے ہیں جیسے بلیڈ زاویہ کو کنٹرول کرنے کے لیے ہوائی ٹربائنز اور دو طرفہ پاور کنورٹرز جو بجلی کے ذخیرہ کرنے میں استعمال ہوتے ہیں یہ سب اس لیے ہو رہا ہے کیونکہ صنعتوں میں توانائی کو زیادہ موثر طریقے سے ہمارے پیچیدہ نیٹ ورکس کے ذریعے منتقل کرنے کے لیے دباؤ بڑھ رہا ہے۔

سلیکون کاربائڈ (سی آئی سی) شوٹکی ڈائیڈس: اگلی نسل کی کارکردگی کو آگے بڑھانا

اعلیٰ کارکردگی سی آئی سی شاٹکی ڈائیوڈز کی طاقتور اور اعلی درجہ حرارت کے ماحول میں

سیلیکون کاربائیڈ یا سی آئی سی شاٹکی ڈائیوڈز مشکل ترین اطلاقات میں عام سیلیکون والوں کو براہ راست پیچھے چھوڑ رہے ہیں کیونکہ مواد کی صلاحیت کی وجہ سے۔ سیمی کنڈکٹر کے شعبے سے حالیہ تحقیق کے مطابق، ان سی آئی سی اجزاء کا بریک ڈاؤن وولٹیج معیاری اقسام کے مقابلے میں تقریباً دس گنا زیادہ ہوتا ہے اور وہ 200 سے زائد درجہ حرارت پر بھی بخوبی کام کرتے رہتے ہیں۔ اس قسم کی حرارت برداشت کرنے کی صلاحیت کا مطلب یہ ہے کہ صنعتی موٹرز یا سورجی انورٹرز جیسی چیزوں کے لیے پیچیدہ کولنگ سسٹمز کی ضرورت نہیں ہوتی، جو بنیادی طور پر خود بخود گرم ہوتے ہیں اور کبھی کبھی صرف بیٹھے بیٹھے 125C سے زائد تک پہنچ جاتے ہیں۔ سی آئی سی کا ایک اور اہم فائدہ یہ ہے کہ ان میں بنیادی طور پر ریورس ریکوری چارج کا کوئی مسئلہ نہیں ہوتا، اس لیے 10kHz سے زائد فریکوئنسی والے پاور کنورژن سسٹمز میں سوئچنگ کے نقصانات میں نمایاں کمی آتی ہے۔

کارکردگی کے معیارات: صنعتی اطلاقات میں سی آئی سی اور سیلیکون شاٹکی ڈائیوڈز کا موازنہ

حالیہ مطالعات سی سی کے فوائد کو حقیقی دنیا کی جانچ کے ذریعے مقدار میں بیان کرتے ہیں:

• سیلیکون کے برابر 650V ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز میں 25 فیصد کم موصلیت کے نقصانات
• برقی گاڑیوں کے چارجنگ اسٹیشنز کے لیے طاقت کی کثافت میں 40 فیصد بہتری
  صنعتی کارکردگی کے موازنے ظاہر کرتے ہیں کہ SiC شاٹکی ڈائیوڈز 3-فیز انورٹرز میں 98.5 فیصد کارکردگی حاصل کرنے کی اجازت دیتے ہیں، جو 50 کلو واٹ لوڈز پر سیلیکون ڈائیوڈز کو 3.2 فیصد نکات سے آگے نکلتے ہیں۔ 100°C سے زیادہ درجہ حرارت پر یہ فرق مزید وسیع ہو جاتا ہے، جہاں سیلیکون ڈیوائسز تیز رفتار رساؤ کرنے والے کرنٹ کی خرابی کا سامنا کرتی ہیں۔

مستقبل کے رجحانات: اگلی نسل کی طاقت کے نظاموں کے لیے وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز کے ساتھ یکجا کرنا

نئے ڈیزائن کے طریقوں میں اب سلیکون کاربائیڈ شاٹکی ڈائیوڈز کو گیلیم نائٹرائیڈ ٹرانزسٹرز کے ساتھ ملا دیا گیا ہے، جس سے وائیلیس پاور ٹرانسفر سسٹمز میں 1 میگا ہرٹز کی فریکوئنسی پر تقریباً 99% کارکردگی حاصل ہوتی ہے۔ اگلی نسل کی الیکٹرک گاڑیوں پر کام کرنے والے کار کے حوالہ دار 800V بیٹری سیٹ اپس کے ساتھ ان SiC اجزاء کی جانچ پڑتال کر رہے ہیں۔ نتیجہ؟ وہ بورڈ چارجر جن کا وزن روایتی ماڈلوں کے مقابلے میں تقریباً 35% کم ہے، اور وہ 1،500V وولٹیج اسپائیکس کو بھی برداشت کر سکتے ہیں جو آپریشن کے دوران ہوتے ہیں۔ آنے والے وقت میں، اگر ہم 2030 تک یورپی یونین کے توانائی کے اہم اہداف تک پہنچنا چاہتے ہیں تو اس قسم کی ٹیکنالوجی بہت اہمیت کی حامل نظر آتی ہے۔ اسمارٹ گرڈ آپریٹرز اور ریلوے کمپنیاں پہلے ہی انفراسٹرکچر کی تعمیر نو کے لیے SiC حلز کی طرف دیکھ رہی ہیں، جہاں ہزاروں کلومیٹر ٹریک کے ساتھ بڑے پیمانے پر بجلی کی طلب کو پورا کرنے میں کارکردگی کا ہر فیصدی نقطہ اہمیت رکھتا ہے۔

فیک کی بات

شاٹکی ڈائیوڈز کے استعمال کے کیا بنیادی فوائد ہیں؟

شافٹی ڈائیوڈز کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ، تقریباً صفر ریورس ریکوری ٹائم اور ٹرانزیشن کے دوران کم سے کم توانائی کے نقصان کی فراہمی کرتے ہیں۔ یہ خصوصیات انہیں خاص طور پر بیٹری سے چلنے والی اقسام کے لیے بہت موثر بناتی ہیں۔

شافٹی ڈائیوڈز معمول کے پی این جنکشن ڈائیوڈز کے مقابلے میں کیسے ہوتے ہیں؟

شافٹی ڈائیوڈز معمول کے پی این جنکشن ڈائیوڈز کے مقابلے میں بہتر کارکردگی، تیز سوئچنگ کی رفتار اور کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ فراہم کرتے ہیں، جس کی وجہ سے وہ سورجی انورٹرز اور موٹر ڈرائیوز کے لیے مناسب ہوتے ہیں۔

سیلیکون کاربائیڈ (SiC) شافٹی ڈائیوڈز کا استعمال کس مقصد کے لیے کیا جاتا ہے؟

سیلیکون کاربائیڈ (SiC) شافٹی ڈائیوڈز زیادہ طاقت اور زیادہ درجہ حرارت والے ماحول میں ان کے زیادہ بریک ڈاؤن وولٹیج اور کم ریورس ریکوری چارج کی وجہ سے استعمال ہوتے ہیں، جس کی وجہ سے وہ صنعتی موٹرز اور سورجی انورٹرز کے لیے بہترین ہیں۔

شافٹی ڈائیوڈز عام طور پر کہاں استعمال ہوتے ہیں؟

شِٹکی ڈائیوڈس کو سوئچ ماڈل پاور سپلائی، ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز، الیکٹرک وہیکل بیٹری مینجمنٹ سسٹمز، سورجی پینلز، ونڈ ٹربائنز اور دیگر مقامات پر ان کی کارآمدی اور تیز سوئچنگ کی صلاحیت کی وجہ سے وسیع پیمانے پر استعمال کیا جاتا ہے۔