ورقة بيانات ثنائي شوتكي SiC EL-SAF01 665JA بجهد 650 فولت وتيار 16 أمبير في حزمة TO-220-2L - وثيقة تقنية

1. نظرة عامة على المنتج

ثنائي EL-SAF01 665JA هو ثنائي حاجز شوتكي من كربيد السيليكون (SiC) مصمم لتطبيقات تحويل الطاقة عالية الكفاءة والتردد العالي. مُغلف في حزمة قياسية TO-220-2L، يستفيد هذا الجهاز من الخصائص المتفوقة لمادة كربيد السيليكون لتقديم أداء يتجاوز بشكل كبير الثنائيات التقليدية القائمة على السيليكون. وظيفته الأساسية هي توفير تدفق تيار أحادي الاتجاه مع خسائر تبديل و شحنة استرداد عكسية ضئيلة، مما يجعله خيارًا مثاليًا لمصادر الطاقة الحديثة والعواكس حيث تكون الكفاءة وكثافة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية.

السوق الرئيسي لهذا المكون يشمل المصممين والمهندسين العاملين على مصادر الطاقة ذات التبديل (SMPS)، وأنظمة تحويل الطاقة الشمسية، ومصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS)، ووحدات تحكم قيادة المحركات، وبنية الطاقة لمراكز البيانات. تكمن ميزته الرئيسية في تمكين تصميمات الأنظمة التي تعمل بترددات أعلى، مما يسمح بدوره بتقليل أحجام المكونات السلبية (مثل المحاثات والمكثفات)، مما يؤدي إلى توفير التكلفة والحجم الإجمالي للنظام. علاوة على ذلك، فإن مقاومته الحرارية المنخفضة تقلل من متطلبات التبريد، مما يساهم في حلول إدارة حرارية أبسط وأكثر موثوقية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الخصائص الكهربائية

تحدد المعايير الكهربائية الحدود التشغيلية وأداء الثنائي تحت ظروف محددة.

• أقصى جهد عكسي ذروة متكرر (VRRM):650 فولت. هذا هو أقصى جهد لحظي يمكن للثنائي تحمله في الاتجاه العكسي التحيز دون انهيار. وهو يحدد تصنيف الجهد لتطبيقات مثل تقويم 400 فولت تيار متردد أو مراحل PFC التعزيزية.
• تيار أمامي مستمر (IF):16 أمبير. هذا هو أقصى تيار أمامي متوسط يمكن للجهاز توصيله بشكل مستمر، محدد عادةً عند درجة حرارة العلبة (Tc) تبلغ 25 درجة مئوية. من الضروري تخفيض التصنيف عند درجات حرارة محيطة أعلى.
• الجهد الأمامي (VF):عادةً 1.5 فولت عند IF=16A و Tj=25°C، بحد أقصى 1.85 فولت. هذه المعلمة حاسمة لحساب خسائر التوصيل (P_loss = VF * IF). تحدد ورقة البيانات أيضًا VF عند أقصى درجة حرارة تقاطع (Tj=175°C)، والتي تكون عادةً أعلى (1.9 فولت نموذجيًا)، وهو أمر مهم لحسابات الخسائر في أسوأ الحالات.
• التيار العكسي (IR):تيار تسرب منخفض جدًا، عادةً 2 ميكرو أمبير عند VR=520V و Tj=25°C. حتى في درجة الحرارة العالية (175°C)، يظل قابلًا للإدارة عند 30 ميكرو أمبير نموذجيًا. يقلل التسرب المنخفض من خسائر الطاقة في وضع الاستعداد.
• الشحنة السعوية الإجمالية (QC):معلمة حرجة لثنائيات شوتكي SiC، محددة بـ 22 نانو كولوم نموذجيًا عند VR=400V. على عكس الثنائيات التقليدية، لا تحتوي ثنائيات شوتكي SiC على تخزين لحاملات الأقلية، لذا فإن خسائر التبديل الخاصة بها تكون سعوية في المقام الأول. تمثل QC الشحنة التي يجب توفيرها/تفريغها خلال كل دورة تبديل، مما يؤثر بشكل مباشر على خسائر التبديل (E_sw ~ 0.5 * QC * V). هذه القيمة المنخفضة تمكن من التشغيل بتردد عالٍ.

2.2 الخصائص الحرارية

الإدارة الحرارية ذات أهمية قصوى للموثوقية والأداء.

• المقاومة الحرارية من التقاطع إلى العلبة (RθJC):1.3 درجة مئوية/وات نموذجيًا. تشير هذه القيمة المنخفضة إلى نقل حرارة فعال من تقاطع أشباه الموصلات إلى علبة الحزمة. يسمح بإزالة الحرارة الناتجة عن تبديد الطاقة (خسائر التوصيل والتبديل) بشكل فعال عبر مبرد حراري ملحق بالعلبة.
• أقصى درجة حرارة تقاطع (TJ):175 درجة مئوية. أقصى درجة حرارة يمكن أن يصل إليها تقاطع كربيد السيليكون. التشغيل بالقرب من هذا الحد يقلل من الموثوقية طويلة المدى، لذا يُنصح بهوامش تصميم.
• تبديد الطاقة الإجمالي (PD):115 واط عند Tc=25°C. هذه هي أقصى طاقة يمكن للجهاز تبديدها تحت ظروف التبريد المثالية (العلبة محفوظة عند 25°C). في التطبيقات الحقيقية، يكون التبديد المسموح به أقل ويعتمد على قدرة المبرد الحراري على الحفاظ على درجة حرارة العلبة منخفضة.

2.3 التصنيفات القصوى ومتانة الجهاز

تحدد هذه التصنيفات الحدود المطلقة التي بعدها قد يحدث تلف دائم.

• تيار أمامي ذروة غير متكرر (IFSM):56 أمبير لمدة 10 مللي ثانية (موجة نصف جيبية). يشير هذا التصنيف إلى قدرة الثنائي على تحمل أحداث تيار الدخول أو الدائرة القصيرة، وهو عامل رئيسي للموثوقية في ظروف العطل.
• نطاق درجة حرارة التخزين (TSTG):من -55 درجة مئوية إلى +175 درجة مئوية. يحدد نطاق درجة الحرارة الآمن للجهاز عندما لا يكون موصولاً بالطاقة.
• عزم الربط (Md):من 0.8 إلى 8.8 نيوتن متر (أو من 7 إلى 78 رطل-بوصة) لبرغي M3 أو 6-32. العزم المناسب ضروري لتحقيق تلامس حراري جيد بين لسان العلبة والمبرد الحراري.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة تمثيلات بيانية لسلوك الجهاز، وهي ضرورية للتصميم التفصيلي.

• خصائص VF-IF:يُظهر هذا الرسم البياني العلاقة بين الجهد الأمامي والتيار الأمامي عند درجات حرارة تقاطع مختلفة. يُستخدم لحساب خسائر التوصيل بدقة عند نقاط تشغيل مختلفة، وليس فقط النقطة الواحدة المعطاة في الجدول. يُظهر المنحنى عادةً أن VF ينخفض قليلاً مع زيادة درجة الحرارة لتيار معين (معامل درجة حرارة سالب لـ VF عند التيارات المنخفضة، ويصبح موجبًا عند التيارات العالية)، وهي خاصية لثنائيات شوتكي.
• خصائص VR-IR:يرسم تيار التسرب العكسي مقابل الجهد العكسي، عادةً عند درجات حرارة متعددة. يساعد المصممين على فهم خسائر حالة الإيقاف والتأكد من أن التسرب عند أقصى جهد ودرجة حرارة للتطبيق مقبول.
• خصائص VR-Ct:يُظهر كيف تختلف سعة تقاطع الثنائي (Ct) مع الجهد العكسي (VR). تنخفض السعة مع زيادة الجهد العكسي. هذا الرسم البياني حيوي لنمذجة سلوك التبديل السعوي وحساب QC لجهود تشغيل محددة.
• خصائص أقصى Ip مقابل TC:يوضح كيف يجب تخفيض تصنيف أقصى تيار أمامي مستمر مسموح به (Ip) مع زيادة درجة حرارة العلبة (TC). هذا هو الرسم البياني الأساسي للتصميم الحراري، ويحدد أداء المبرد الحراري المطلوب.
• تبديد الطاقة مقابل TC:مشابه لتخفيض تصنيف التيار، يُظهر هذا كيف ينخفض أقصى تبديد طاقة مسموح به مع ارتفاع درجة حرارة العلبة.
• خصائص IFSM مقابل PW:يُفصّل قدرة تيار الذروة لعروض النبضة (PW) بخلاف 10 مللي ثانية القياسية. يسمح بتقييم القدرة على البقاء تحت ظروف عابرة مختلفة.
• خصائص EC-VR:يرسم الطاقة السعوية المخزنة (EC) مقابل الجهد العكسي. يمكن اشتاق طاقة خسائر التبديل من هذا (E_sw ≈ EC).
• المعاوقة الحرارية العابرة مقابل عرض النبضة:أمر بالغ الأهمية لتقييم ارتفاع درجة الحرارة أثناء نبضات الطاقة القصيرة. المعاوقة الحرارية لنبضة قصيرة واحدة أقل من المقاومة الحرارية الثابتة RθJC، مما يسمح بقدرة لحظية أعلى دون ارتفاع درجة حرارة التقاطع.

4. معلومات الميكانيكية والحزمة

4.1 مخطط الحزمة والأبعاد

يستخدم الجهاز الحزمة القياسية في الصناعة TO-220-2L (ذات طرفين). تشمل الأبعاد الرئيسية من ورقة البيانات:

• الطول الإجمالي (D): 15.6 ملم (نموذجي)
• العرض الإجمالي (E): 9.99 ملم (نموذجي)الارتفاع الإجمالي (A): 4.5 ملم (نموذجي)
• تباعد الأطراف (e1): 5.08 ملم (أساسي، ثابت)
• مسافة فتحة التثبيت (E3): 8.70 ملم (مرجعي)
• يتم توفير أبعاد اللسان وتفاصيل شكل الأطراف للتكامل الميكانيكي وتصميم بصمة اللوحة المطبوعة.

4.2 تكوين الأطراف والقطبية

يتم تعريف توزيع الأطراف بوضوح:

• الطرف 1:المهبط (K).
• الطرف 2:المصعد (A).
• العلبة (اللسان المعدني):هذا متصل كهربائيًا بالمهبط (الطرف 1). هذا الاتصال بالغ الأهمية للسلامة والتصميم: سيكون المبرد الحراري عند جهد المهبط، لذا يجب عزله عن أجزاء النظام الأخرى (مثل أرضية الهيكل) إذا كانت عند جهد مختلف. هناك حاجة إلى مجموعات عزل مناسبة (صواني ميكا/حلقات، وسادات سيليكون).

4.3 تخطيط وسادة اللوحة المطبوعة الموصى به

يُقترح تخطيط وسادة طرفية للتركيب السطحي لتصميم اللوحة المطبوعة. يضمن هذا تكوين وصلة لحام مناسبة واستقرارًا ميكانيكيًا عند تركيب الجهاز على لوحة مطبوعة، عادةً بالتزامن مع مبرد حراري.

5. إرشادات اللحام والتجميع

بينما لم يتم تفصيل ملفات إعادة التدفق المحددة في المقتطف المقدم، تنطبق الإرشادات العامة لأجهزة الطاقة في حزم TO-220:

• التعامل:مراعاة احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) حيث يمكن أن تكون أجهزة SiC حساسة.
• اللحام:لتركيب الأطراف عبر الثقب، يمكن استخدام تقنيات اللحام الموجي أو اليدوي القياسية. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة جسم الحزمة درجة حرارة التخزين القصوى (175°C) لفترة طويلة. بالنسبة للشكل الطرفي للتركيب السطحي، اتبع ملفات إعادة التدفق القياسية للتجميعات الخالية من الرصاص (درجة الحرارة القصوى عادةً 245-260°C).
• تركيب المبرد الحراري:
  1. تأكد من أن سطح التركيب للمبرد الحراري ولسان الثنائي نظيفان ومستويان وخاليان من الحواف.
  2. ضع طبقة رقيقة ومتساوية من مادة الواجهة الحرارية (مرهم حراري أو وسادة) لتحسين نقل الحرارة.
  3. إذا كانت هناك حاجة إلى عزل كهربائي، استخدم صامولة عازلة (مثل الميكا، البولي أميد) وصامولة كتف للبرغي. ضع المركب الحراري على جانبي العازل.
  4. ثبت الثنائي باستخدام عزم الربط المحدد (0.8 إلى 8.8 نيوتن متر) مع برغي وصامولة M3 أو 6-32. تجنب الربط الزائد، الذي يمكن أن يكسر الحزمة أو يقطع الخيوط.
• التخزين:قم بالتخزين في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد (-55°C إلى +175°C).

6. اقتراحات التطبيق

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

• ثنائي تعزيز تصحيح معامل القدرة (PFC):في دوائر تعزيز PFC ذات وضع التوصيل المستمر (CCM)، فإن Qc المنخفض والتبديل السريع للثنائي ضروريان للكفاءة العالية عند ترددات تبديل عالية (مثل 65-100 كيلو هرتز). يتعامل مع إجهاد الجهد العالي عندما يتم تشغيل المفتاح الرئيسي.
• مرحلة الخرج لعاكس الطاقة الشمسية الصغير:يُستخدم في جسر العاكس عالي التردد أو كثنائي دوار حر. تجعله قدرته على تحمل درجات الحرارة العالية مناسبًا للظروف البيئية الصعبة لتطبيقات الطاقة الشمسية.
• عاكس/محول مصدر الطاقة غير المنقطع (UPS):يعمل كثنائي دوار حر أو تثبيت في مراحل عاكس التيار المستمر-المتردد أو محول التيار المستمر-المستمر، مما يحسن كفاءة النظام الإجمالية.
• ثنائي تثبيت/ارتداد عكسي لحافلة التيار المستمر لقيادة المحرك:يحمي الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs) أو ترانزستورات تأثير المجال (MOSFETs) من طفرات الجهد عن طريق تثبيت الطاقة الحثية من ملفات المحرك.

6.2 اعتبارات التصميم الحرجة

• دوائر المخمد (Snubber):بسبب التبديل السريع جدًا و Qc المنخفض، يمكن أن تسبب المحاثة الطفيلية في الدائرة تجاوز جهد كبير (L*di/dt). تخطيط اللوحة المطبوعة بعناية لتقليل مساحة الحلقة أمر بالغ الأهمية. قد يكون من الضروري استخدام مخمد RC عبر الثنائي لتخفيف الرنين.
• التصميم الحراري:احسب إجمالي خسائر الطاقة (P_conduction = VF_avg * IF_avg, P_switching ≈ 0.5 * QC * V * f_sw). استخدم أقصى درجة حرارة تقاطع (Tj_max=175°C)، والمقاومة الحرارية RθJC، والمقاومة الحرارية المقدرة للمبرد الحراري (RθSA) للتأكد من بقاء Tj ضمن هامش آمن (مثل 150°C أو أقل).
• التشغيل المتوازي:تنص ورقة البيانات على أن الجهاز يمكن تشغيله بالتوازي دون هروب حراري. هذا بسبب معامل درجة الحرارة الموجب للجهد الأمامي عند التيارات العالية، مما يعزز تقاسم التيار. ومع ذلك، للحصول على تقاسم مثالي، تأكد من التخطيط المتماثل واستخدام مقاومات بوابة فردية إذا كنت تقوم بتشغيل المفاتيح المرتبطة.
• تخفيض تصنيف الجهد:لتحسين الموثوقية طويلة المدى، خاصة في التطبيقات عالية الحرارة أو عالية الموثوقية، فكر في تخفيض تصنيف جهد التشغيل العكسي (مثل استخدام ثنائي 650 فولت لحافلة 400 فولت، وليس حافلة 480 فولت).

7. المقارنة التقنية والمزايا

مقارنة بثنائيات الاسترداد السريع القياسية من السيليكون (FRDs) أو حتى ثنائيات الاسترداد فائقة السرعة (UFRDs)، يقدم EL-SAF01 665JA مزايا مميزة:

• شحنة استرداد عكسية صفرية بشكل أساسي (Qrr):تحتوي ثنائيات السيليكون على Qrr كبير بسبب تخزين حاملات الأقلية، مما يسبب تيارات ذروة كبيرة وخسائر أثناء الإيقاف. ثنائيات شوتكي SiC هي أجهزة حاملات أغلبية، لذا فإن Qrr مهملة. خسائر التبديل هي سعوية بحتة (QC)، وهي أقل بكثير من الخسائر القائمة على Qrr.
• درجة حرارة تشغيل أعلى:يسمح فجوة النطاق الواسعة لكربيد السيليكون بأقصى درجة حرارة تقاطع تبلغ 175°C، مقارنة بـ 150°C أو 125°C للعديد من ثنائيات السيليكون، مما يمكن من التشغيل في بيئات أكثر حرارة أو مع مشتتات حرارية أصغر.
• قدرة تردد تبديل أعلى:مزيج QC المنخفض وعدم وجود Qrr يمكن من التشغيل بكفاءة عند ترددات أعلى بكثير من 100 كيلو هرتز، مما يسمح بأن تكون المكونات المغناطيسية (المحاثات، المحولات) أصغر بشكل ملحوظ.
• جهد أمامي أقل في درجة الحرارة العالية:بينما قد يكون VF في درجة حرارة الغرفة مماثلاً لثنائي شوتكي سيليكون، فإن Vf لثنائي شوتكي SiC يزداد بشكل أقل مع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى أداء توصيل أفضل في درجات الحرارة العالية.

8. الأسئلة الشائعة (FAQs)

8.1 استنادًا إلى المعايير التقنية

س: QC هي 22 نانو كولوم. كيف أحسب خسائر التبديل؟

ج: الطاقة المفقودة لكل دورة تبديل هي تقريبًا E_sw ≈ 0.5 * QC * V، حيث V هو الجهد العكسي الذي يتم إيقافه ضده. على سبيل المثال، عند 400 فولت، E_sw ≈ 0.5 * 22nC * 400V = 4.4 ميكرو جول. اضرب في تردد التبديل (f_sw) للحصول على خسائر الطاقة: P_sw = E_sw * f_sw. عند 100 كيلو هرتز، P_sw ≈ 0.44 واط.

س: لماذا العلبة متصلة بالمهبط؟ هل العزل مطلوب دائمًا؟

ج: يتم تركيب القطعة الداخلية على ركيزة متصلة كهربائيًا بلسان المهبط لأسباب حرارية وميكانيكية. العزل مطلوب إذا كان المبرد الحراري (أو الهيكل المرفق به) عند جهد مختلف عن المهبط في دائرة. إذا كان المهبط عند جهد الأرض وكان المبرد الحراري مؤرضًا أيضًا، فقد لا يكون العزل ضروريًا، ولكنه غالبًا ما يُستخدم كأفضل ممارسة للسلامة.

س: هل يمكنني استخدام هذا الثنائي مباشرة كبديل لثنائي سيليكون في دائري الحالية؟

ج: ليس مباشرة دون مراجعة. بينما قد تتطابق تصنيفات الجهد والتيار، فإن التبديل السريع للغاية يمكن أن يسبب تجاوز جهد شديد و EMI بسبب الطفيليات الدائرية التي لم تكن مشكلة مع ثنائي السيليكون الأبطأ. يجب إعادة تقييم تخطيط اللوحة المطبوعة وتصميم المخمد.

9. حالات عملية للتصميم والاستخدام

دراسة حالة: مرحلة PFC لمصدر طاقة خادم 2 كيلو واط عالي الكثافة.يستبدل مصمم ثنائي سيليكون فائق السرعة 600V/15A في PFC تعزيزي CCM بتردد 80 كيلو هرتز بـ EL-SAF01. كان للثنائي السيليكوني Qrr=45nC و Vf=1.7V. تُظهر الحسابات أن ثنائي SiC يقلل خسائر التبديل بنحو 60% (من 1.44 واط إلى 0.58 واط لكل ثنائي) ويحسن خسائر التوصيل قليلاً. يوفر هذا التوفير البالغ 0.86 واط لكل ثنائي زيادة تردد التبديل إلى 140 كيلو هرتز لتقليل حجم محاثة التعزيز بنحو 40%، مما يلبي هدف زيادة كثافة الطاقة. يظل المبرد الحراري الحالي كافيًا بسبب إجمالي الخسائر الأقل.

دراسة حالة: جسر H لعاكس الطاقة الشمسية الصغير.في عاكس صغير بقدرة 300 واط، يتم استخدام أربعة ثنائيات EL-SAF01 كثنائيات دوارة حرة لترانزستورات تأثير المجال لجسر H. يضمن تصنيف درجة حرارتها العالي (175°C) الموثوقية في بيئات الأسطح حيث يمكن أن تتجاوز درجات حرارة العلبة 70°C. يقلل QC المنخفض الخسائر عند تردد التبديل العالي (مثل 16 كيلو هرتز أساسي مع تعديل عرض النبضة عالي التردد)، مما يساهم في كفاءة تحويل إجمالية أعلى (>96%) وهو أمر بالغ الأهمية لحصاد الطاقة الشمسية.

10. مبدأ التشغيل

يتكون ثنائي شوتكي من تقاطع معدن-أشباه موصلات، على عكس ثنائي تقاطع PN القياسي. يستخدم EL-SAF01 كربيد السيليكون (SiC) كأشباه الموصلات. يسمح حاجز شوتكي المتشكل عند واجهة المعدن-SiC بتوصيل حاملات الأغلبية (الإلكترونات) فقط. عند التحيز الأمامي، يتم حقن الإلكترونات من أشباه الموصلات إلى المعدن، مما يسمح بتدفق التيار مع انخفاض جهد أمامي نسبيًا (عادةً 0.7-1.8 فولت). عند التحيز العكسي، يمنع حاجز شوتكي تدفق التيار. الفارق الرئيسي عن ثنائيات PN هو غياب حقن وتخزين حاملات الأقلية. هذا يعني عدم وجود سعة انتشار مرتبطة بشحنة مخزنة في منطقة الانجراف، مما يؤدي إلى خاصية "الاسترداد العكسي الصفري". السعة الوحيدة هي سعة طبقة الاستنزاف للتقاطع، والتي تعتمد على الجهد وتنتج QC القابل للقياس. توفر فجوة النطاق الواسعة لكربيد السيليكون (≈3.26 إلكترون فولت لـ 4H-SiC) قوة مجال الانهيار العالية التي تمكن من تصنيف 650 فولت في حجم قطعة صغير نسبيًا، وتساعد موصليته الحرارية العالية في تبديد الحرارة.

11. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل أجهزة كربيد السيليكون للطاقة، بما في ذلك ثنائيات شوتكي وترانزستورات تأثير المجال، اتجاهًا كبيرًا في إلكترونيات القوى نحو كفاءة أعلى وتردد وكثافة طاقة. تتحرك السوق من أجهزة 600-650 فولت (تتنافس مع ترانزستورات تأثير المجال ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة الفائقة من السيليكون وترانزستورات IGBT) إلى فئات جهد أعلى مثل 1200 فولت و 1700 فولت لقيادة المحركات الصناعية وعواكس جر المركبات الكهربائية. في الوقت نفسه، هناك اتجاه نحو انخفاض التكلفة لكل أمبير مع زيادة أحجام الرقائق (من 4 بوصة إلى 6 بوصة والآن 8 بوصة) وتحسن عوائد التصنيع. التكامل هو اتجاه آخر، مع ظهور وحدات تجمع بين ترانزستورات تأثير المجال SiC وثنائيات شوتكي. علاوة على ذلك، يستمر البحث في تحسين واجهة حاجز شوتكي لتقليل انخفاض الجهد الأمامي بشكل أكبر وتعزيز الموثوقية. يتم دفع اعتماد SiC عالميًا بواسطة معايير كفاءة الطاقة وكهربة أنظمة النقل والطاقة المتجددة.