Яка різниця між звичайними діодами та діодами Шотткі, які використовуються у фотоелектричних системах?

一, Суттєва різниця між фізичною структурою та принципом роботи
1. Звичайний діод: механізм рекомбінації носіїв PN-переходу
Звичайні діоди засновані на структурі PN-переходу, утвореній напівпровідниками типу P- і N-типу, і їх механізм провідності базується на інжекції та рекомбінації неосновних носіїв. При прямому зміщенні дірки в області P рекомбінують з електронами в області N у виснаженому шарі, утворюючи струм; При зворотному зміщенні ширина виснаженого шару збільшується, утворюючи стан високого опору. Така структура призводить до наступних характеристик звичайних діодів:

Високе пряме падіння напруги: типове значення для кремнієвих-діодів становить 0,6–0,7 В, а для германієвих діодів – приблизно 0,2–0,3 В
Тривалий час зворотного відновлення: рекомбінація несучої займає мікросекунди, що призводить до втрат перемикання
Висока температурна стабільність: негативний температурний коефіцієнт, характерний для PN-переходу, забезпечує стабільну роботу в діапазоні від -40 градусів до 150 градусів
2. Діод Шотткі: основний транспорт носія в металевому напівпровідниковому бар'єрі
Діоди Шотткі мають структуру бар’єру Шотткі, утворену металами (наприклад, алюмінієм і титаном) і напівпровідниками (кремнієм або карбідом кремнію), а їх механізм провідності базується на ефекті термоелектронної емісії основних носіїв (електронів). При прямому зміщенні електрони перетинають потенційний бар’єр, утворюючи струм; При зворотному зміщенні лише кілька носіїв заряду генерують мікроамперний струм витоку. Така конструкція надає йому унікальні переваги:

Позитивне зниження тиску: типове значення 0,15-0,4 В, на основі карбіду кремнію може бути менше 1 В
Короткий час зворотного відновлення: наносекундний рівень реакції, відсутність ефекту збереження носія
Мала ємність переходу: відмінні високочастотні-характеристики, придатні для програм перемикання рівня МГц
2, Кількісне порівняння електричних характеристик
1. Втрата провідності та підвищення ефективності
У фотоелектричних інверторах втрата провідності діодів безпосередньо впливає на ефективність системи. Візьмемо як приклад вихідний струм 20 А:

Звичайний кремнієвий діод (VF=0.7V): втрати=20A × 0,7V=14W
Діод Шотткі (VF=0.3V): втрати=20A × 0,3V=6W
ККД зріс на 57%, а розмір радіатора можна зменшити на 40%. У струнних інверторах використання діодів Шотткі дозволяє збільшити річне вироблення електроенергії на 2-3%.
2. Характеристики перемикачів і високо-частотні програми
У процесі перетворення DC-DC час зворотного відновлення діодів Шотткі (<10ns) is reduced by two orders of magnitude compared to ordinary diodes (>1 мкс). Це робить його:

Реалізація комутації нульової напруги (ZVS) у схемі синхронного випрямлення
Зменшити перешкоди EMI
Збільште частоту перемикання до рівня МГц і зменшіть гучність магнітних компонентів
3. Зворотний струм витоку та ризик теплової розбіжності
The reverse leakage current of Schottky diodes (10-100 μ A) is 2-3 orders of magnitude higher than that of ordinary diodes (nA level). In high temperature environments (>85 градусів), струм витоку зростає експоненціально, що може спричинити:

Підвищення температури розподільної коробки перевищує 150 градусів, що спричиняє старіння матеріалу
Тепловий розбіг діода шунтування, горіння компонентів
Ефективність виробництва електроенергії знижується на 0,5-1%/градус
3, Технічна адаптація для типових сценаріїв застосування
1. Сценарій обхідного захисту
У фотоелектричних модулях байпасні діоди повинні відповідати таким вимогам:

Швидка реакція: коли компонент перешкоджає, наносекундний відгук діода Шотткі може негайно відводити струм, запобігаючи утворенню гарячих точок
Низьке енергоспоживання: на прикладі компонента потужністю 300 Вт втрати провідності діодів Шотткі зменшуються на 80% порівняно зі звичайними діодами, а температура розподільної коробки падає на 50 градусів.
Завдання щодо надійності: необхідно пройти випробування на термічний відхід IEC62979, щоб переконатися, що тепло, що утворюється зворотним струмом витоку, може своєчасно розсіюватися в середовищі 90 градусів.
2. Сценарій випрямлення інвертора
У струнних інверторах діоди Шотткі використовуються для:

Вхід проти зворотного потоку: запобігає подачі електроенергії компонентами в мережу вночі
Продовження схеми підсилення: Ефективне перетворення енергії за допомогою MOSFET
Випрямлення на виході: заміна традиційних діодів швидкого відновлення на безтрансформаторну топологію, підвищення ефективності на 1,5-2%
3. Сценарій інтелектуального оптимізатора
У оптимізаторах DC-DC діоди Шотткі працюють у поєднанні з MOSFET:

Низьке падіння напруги провідності: при струмі 30 А можна використовувати комбінацію MOSFET 2 м Ом і діода Шотткі для контролю температури переходу в межах 125 градусів
Оптимізація обсягу: у порівнянні з кількома паралельно з’єднаними діодами Шотткі, MOSFET-схема зменшує площу друкованої плати на 30%
Баланс витрат: хоча вартість однієї труби збільшується на 20%, вартість BOM на рівні системи зменшується на 15%
4, Економічна ефективність і стратегія вибору
1. Порівняння початкових інвестицій
Звичайний діод: ціна за одиницю
0.05−
0,2, підходить для низької напруги (<60V) and low current (<10A) scenarios
Діод Шотткі: ціна за одиницю
0.2−
1.0, suitable for medium to high voltage (40-200V) and high current (>10A) сценарії
Ідеальне діодне рішення: використання MOSFET + контролер, ціна за одиницю
1.5−
3.0, але підвищення ефективності системи може компенсувати зростання вартості
2. Вартість повного життєвого циклу
Для прикладу візьмемо фотоелектричну станцію потужністю 100 кВт:

Звичайний діод: річне споживання електроенергії
1200, вартість обслуговування
п'ятсот
Діод Шотткі: річне споживання електроенергії
480, вартість обслуговування
двісті
5-річна загальна вартість: звичайний план
8500 проти схеми Шотткі
три тисячі чотириста
3. Матриця прийняття рішення про вибір
Параметр звичайного діода Діод Шотткі Схема ідеального діода
Робоча напруга<60V 40-200V 40-1000V
Робочий струм<10A>10A>30A
Вимога ефективності<95% 95-98%>98%
Діапазон температур від -40 градусів до 150 градусів від -40 градусів до 125 градусів від -40 градусів до 105 градусів
Чутливість до вартості висока, середня та низька