Điện áp thuận thấp: Nâng cao hiệu suất trong các nguồn điện áp thấp

Cơ chế dẫn điện tại rào cản Schottky và sự giảm điện áp V _F

Các đi-ốt Schottky hoạt động theo một nguyên lý khác biệt vì chúng tạo thành một mối nối kim loại–bán dẫn thay vì mối nối p–n thông thường có mặt trong các đi-ốt thông dụng. Điều này có nghĩa là không cần tiêm các hạt tải thiểu số, nhờ đó loại bỏ được những tổn thất tái hợp trong vùng nghèo hóa gây phiền toái mà ta thường thấy trong các cấu hình truyền thống. Kết quả đạt được là dẫn điện chủ yếu bởi các hạt tải đa số với thế năng rào cản thấp hơn nhiều. Cụ thể, giá trị này nằm trong khoảng từ 0,15 vôn đến 0,45 vôn, trong khi các đi-ốt silicon tiêu chuẩn lại yêu cầu từ 0,7 vôn đến 1,1 vôn. Các electron chỉ cần di chuyển trực tiếp từ vật liệu bán dẫn loại n sang tiếp xúc kim loại, nên gần như không có năng lượng nào bị lãng phí trong quá trình này. Khi xét riêng đối với các nguồn cấp điện 5 vôn, các đi-ốt Schottky này có thể giảm độ sụt áp thuận từ 60% đến 80% so với các lựa chọn thông thường. Điều này thực sự mang lại sự khác biệt rõ rệt, bởi tổn thất dẫn điện thường trở nên nghiêm trọng nhất trong các tình huống điện áp thấp và dòng điện cao.

Mức tăng hiệu suất được đo lường: 2–5% trong các bộ chuyển đổi DC-DC 3,3 V/5 V

Các đánh giá độc lập đối với các bộ chuyển đổi buck đồng bộ xác nhận những cải thiện nhất quán về hiệu suất ở cấp độ hệ thống khi sử dụng đi-ốt Schottky thay cho các chỉnh lưu silicon. Nhiều nghiên cứu năm 2023 trên các thiết kế dành cho công nghiệp và máy chủ cho thấy mức tăng hiệu suất từ 2–5% — đặc biệt rõ rệt ở đầu ra 3,3 V và 5 V, nơi tổn hao dẫn điện tỷ lệ nghịch với điện áp. Ở dòng ra 20 A, kết quả tiêu biểu là:

Những cải thiện này trực tiếp làm giảm bớt yêu cầu quản lý nhiệt trong các ứng dụng có không gian hạn chế—bao gồm các mô-đun nguồn máy chủ, bộ điều khiển điện tử ô tô (ECU) và thiết bị điện tử cầm tay—trong đó mỗi watt tiết kiệm được kéo dài thời lượng pin thêm 15–20%, theo các nghiên cứu thực địa gần đây.

Chuyển mạch siêu nhanh: Cho phép thiết kế SMPS nhỏ gọn hoạt động ở tần số cao

Không tồn trữ hạt tải thiểu số và thời gian khôi phục ngược dưới nanogiây

Các đi-ốt Schottky hoạt động khác biệt so với các đi-ốt thông thường vì chúng chỉ sử dụng các hạt tải đa số trong quá trình dẫn điện. Về mặt thực tiễn, điều này có nghĩa là không tồn tại độ trễ do tích lũy liên quan đến các hạt tải thiểu số. Và chính yếu tố này tạo nên sự khác biệt lớn khi xét tới các đỉnh dòng phục hồi ngược gây khó chịu—thực chất là một vấn đề nan giải đối với các đi-ốt nối PN. Thời gian phục hồi ngược ở đây giảm xuống dưới 1 nanogiây, nhờ đó những đi-ốt này có thể ngắt mạch một cách sạch sẽ ngay cả khi vận hành ở tần số lên tới vài megahertz. Ví dụ, trong các bộ điều chỉnh kiểu buck hoạt động ở dải tần khoảng 500 kHz, tổn hao chuyển mạch giảm khoảng 2–5% so với các giải pháp thay thế silicon siêu nhanh cao cấp. Một nghiên cứu được tạp chí Power Electronics International công bố năm ngoái đã xác nhận kết quả này. Toàn bộ những cải tiến trên đều góp phần làm giảm nhiễu điện từ, giúp các linh kiện hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và nâng cao khả năng tích hợp công suất. Những ưu điểm này đặc biệt quan trọng trong các tình huống mà việc quản lý nhiệt gặp nhiều thách thức hoặc khi các ràng buộc về không gian đòi hỏi các giải pháp nguồn nhỏ gọn.

Hỗ trợ hoạt động ở tần số >1 MHz với các tầng công suất GaN và SiC

Các transistor làm từ gali nitrua (GaN) và silicon cacbua (SiC) ngày nay có thể xử lý tần số vượt xa mức 1 MHz. Tuy nhiên, điều thực sự quan trọng đối với hiệu năng của chúng là tốc độ hoạt động của các bộ chỉnh lưu đó. Các điốt Schottky được sử dụng ở đây, đặc biệt là loại dựa trên silicon cacbua, có thời gian khôi phục được đo bằng một phần nhỏ nanogiây. Chúng gần như đồng bộ hoàn hảo với các điểm chuyển mạch của các thiết bị GaN và SiC. Khi điều này xảy ra, các đỉnh điện áp gây khó chịu—xuất hiện khi mạch chuyển trạng thái—sẽ bị loại bỏ. Trong các thiết kế hoạt động ở vài megahertz, chúng ta quan sát thấy nhiễu điện từ giảm khoảng 15 dB. Ngoài ra còn một lợi ích khác: chuyển mạch nhanh hơn nghĩa là biến áp và cuộn cảm nhỏ hơn. Các thành phần này có thể thu nhỏ hơn 60% so với các hệ thống truyền thống hoạt động ở 100 kHz. Đó là lý do vì sao kỹ sư rất phụ thuộc vào các điốt Schottky để thiết kế các bộ nguồn gọn nhẹ, có thể tích hợp công suất trên 1 kW vào không gian đủ nhỏ để lắp vừa trong giá đỡ máy chủ hoặc trạm sạc xe điện, đồng thời vẫn duy trì hiệu suất cao và vận hành ổn định.

Các Ứng Dụng Trọng Yếu: Chỉnh Lưu và Tự Do Quay (Freewheeling) trong Các Bộ Nguồn Hiện Đại (PSU)

Chỉnh lưu đồng bộ, mạch OR-ing và vai trò của mạch kẹp

Các đi-ốt Schottky đảm nhiệm ba chức năng không thể thiếu trong các bộ nguồn (PSU) hiện đại:

• Chỉnh lưu đồng bộ : Ở phía thứ cấp của các bộ chuyển đổi DC-DC, điện áp rơi thuận thấp (0,3–0,5 V) của chúng giúp tái thu hồi năng lượng vốn bị thất thoát dưới dạng nhiệt—nâng cao hiệu suất lên đến 4% trong các bộ nguồn máy chủ 48 V.
• OR-ing : Khả năng chuyển mạch nhanh của chúng cách ly đường cấp điện chính và dự phòng trong quá trình chuyển đổi (failover), ngăn chặn dòng điện ngược gây hư hại trong các hệ thống dự phòng.
• Mạch kẹp : Trong các cấu trúc flyback và cộng hưởng, các đi-ốt Schottky chuyển hướng các xung chuyển mạch trong vòng vài nanogiây, an toàn hấp thụ năng lượng đỉnh vượt quá 200 mJ.

Kết hợp lại, những vai trò này cho phép đạt hiệu suất trên 94% trong các bộ nguồn nhỏ gọn, độ tin cậy cao, đồng thời bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố quá áp nghiêm trọng.

Các Thương Lượng Thiết Kế: Cân Bằng Giữa Hiệu Năng và Hạn Chế của Đi-ốt Schottky

Sự đánh đổi giữa dòng rò ngược và điện áp thuận ở nhiệt độ cao

Điều khiến những linh kiện này đạt được mức sụt áp thuận rất thấp (thông thường nằm trong khoảng từ 0,15 V đến 0,45 V) cũng đi kèm với một sự đánh đổi liên quan đến dòng rò ngược (IR), đặc biệt rõ rệt ở các nhiệt độ hoạt động cao hơn. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này là hiện tượng phát xạ nhiệt điện xảy ra tại giao diện kim loại–bán dẫn. Khi nhiệt độ mối nối tăng lên — ví dụ lên tới khoảng 125 độ C — chúng ta bắt đầu quan sát thấy dòng rò tăng vọt đáng kể so với điều kiện nhiệt độ phòng. Ở nhiệt độ đó, dòng rò có thể lớn hơn hơn một nghìn lần so với giá trị đo được ở nhiệt độ môi trường bình thường. Trong khi đó, điện áp thuận vẫn duy trì khá ổn định; do đó, các kỹ sư cần đặc biệt lưu ý hiện tượng dòng rò ngược ngày càng gia tăng này, bởi nó có thể trở thành nguồn tổn hao công suất chủ yếu trong thiết kế của họ. Nếu không được kiểm soát, hiện tượng này có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng về nhiệt trong tương lai. Bất kỳ ai đang phát triển hệ thống cho ô tô, thiết bị tự động hóa nhà máy hoặc trung tâm dữ liệu đều thực sự cần tính đến việc dòng rò này tăng theo cấp số mũ cả trong các mô phỏng trên máy tính lẫn khi thử nghiệm nguyên mẫu trong điều kiện thực tế.

Hạn chế về định mức điện áp và thực tiễn tốt nhất trong việc giảm định mức

Các đi-ôt Schottky về bản chất bị giới hạn bởi điện áp ngược tối đa (V _RRM )—hầu hết các thiết bị thương mại đều có giới hạn dưới 200 V do ràng buộc về chiều cao rào thế. Việc vượt quá V _RRM có nguy cơ gây đánh thủng vùng thác và hỏng hóc không thể phục hồi. Do đó, việc giảm định mức một cách chiến lược là bắt buộc:

• Sử dụng công nghiệp tiêu chuẩn : Chọn các đi-ôt có định mức ít nhất cao hơn 20% so với điện áp đỉnh của hệ thống
• Ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao (y tế, quốc phòng, hàng không vũ trụ): Áp dụng biên độ giảm định mức từ 40–50%
• Hệ thống có các xung động thái : Kết hợp sử dụng bộ khử nhiễu xung điện áp (TVS) để xử lý các xung có thời gian kéo dài trên 100 ns

Giảm công suất do nhiệt cũng quan trọng như nhau—V _RRM độ dung sai giảm khi nhiệt độ mối nối tiến gần đến 150°C. Việc mô hình hóa chính xác hệ số nhiệt trong quá trình bố trí mạch in (PCB) và thiết kế tản nhiệt giúp ngăn ngừa hiện tượng đánh thủng bất ngờ ở các tầng công suất được bố trí dày đặc.