ورقة بيانات ثنائي شوتكي SiC 650V بغلاف TO-247-2L - الأبعاد 16.26x20.0x4.7mm - الجهد 650V - التيار 8A - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

توضح هذه الوثيقة مواصفات ثنائي حاجز شوتكي (SBD) عالي الأداء من كربيد السيليكون (SiC) مُحاط بغلاف TO-247-2L. تم تصميم هذا الجهاز لتقديم كفاءة وموثوقية فائقتين في تطبيقات تحويل الطاقة المتطلبة. وظيفته الأساسية هي توفير تدفق أحادي الاتجاه للتيار مع خسائر تبديل وشحنة استرداد عكسية ضئيلة، وهي ميزة كبيرة مقارنة بالثنائيات التقليدية القائمة على السيليكون.

يتموضع هذا الثنائي بشكل أساسي ضمن أنظمة الطاقة الحديثة عالية التردد والكفاءة. تنبع مزاياها الأساسية من الخصائص المادية المتأصلة لكربيد السيليكون، والتي تتيح التشغيل في درجات حرارة وجهد وترددات تبديل أعلى مقارنة بالسيليكون. الأسواق المستهدفة متنوعة، تشمل الصناعات التي تكون فيها كفاءة الطاقة، وكثافة الطاقة، وإدارة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية. وتشمل هذه محركات المحركات الصناعية، وأنظمة الطاقة المتجددة مثل عواكس الطاقة الشمسية، ومزودات طاقة مراكز البيانات، ومصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS).

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الخصائص الكهربائية

تحدد المعلمات الكهربائية الحدود التشغيلية وأداء الثنائي تحت ظروف محددة.

• الجهد العكسي القمي المتكرر (VRRM):650 فولت. هذا هو أقصى جهد عكسي لحظي يمكن تطبيقه بشكل متكرر. وهو يحدد تصنيف الجهد للجهاز وهو أمر حاسم لاختيار الثنائي لجهد خط معين، عادةً مع هامش أمان.
• تيار الأمام المستمر (IF):8 أمبير. هذا هو أقصى تيار أمامي متوسط يمكن للثنائي أن يوصله بشكل مستمر، مقيد بأقصى درجة حرارة تقاطع ومقاومة حرارية. تم تحديد قيمة 8 أمبير عند درجة حرارة علبة (TC) تبلغ 25 درجة مئوية. في التطبيقات الحقيقية، من الضروري تخفيض التصنيف بناءً على درجة حرارة التشغيل الفعلية.
• جهد الأمام (VF):عادةً 1.5 فولت عند 8 أمبير ودرجة حرارة تقاطع (TJ) 25 درجة مئوية، بحد أقصى 1.85 فولت. هذه المعلمة حاسمة لحساب خسائر التوصيل (P_conduction = VF * IF). انخفاض VF هو فائدة رئيسية لتقنية شوتكي SiC، مما يساهم مباشرة في كفاءة نظام أعلى. لاحظ أن VF له معامل درجة حرارة سلبي، مما يعني أنه ينخفض قليلاً مع زيادة درجة الحرارة، مما يساعد على منع الانحراف الحراري في التكوينات المتوازية.
• التيار العكسي (IR):عادةً 2 ميكرو أمبير عند 520 فولت و TJ 25 درجة مئوية. هذا هو تيار التسرب عندما يكون الثنائي متحيزًا عكسيًا. يقلل تيار التسرب المنخفض من خسائر الطاقة في حالة الإيقاف.
• الشحنة السعوية الإجمالية (QC):12 نانو كولوم (نموذجي) عند VR=400 فولت. هذه معلمة حاسمة للتبديل عالي التردد. تمثل QC الشحنة المرتبطة بالسعة التقاطعية للثنائي والتي يجب إزاحتها خلال كل دورة تبديل. تؤدي قيمة QC المنخفضة مباشرة إلى خسائر تبديل أقل، مما يتيح التشغيل بتردد أعلى.
• تيار الأمام الذروي غير المتكرر (IFSM):29 أمبير. هذا هو أقصى تيار قمة غير متكرر مسموح به لمدة قصيرة (10 مللي ثانية، موجة نصف جيبية). يشير إلى قدرة الجهاز على تحمل تيارات البدء أو الأعطال، مثل تلك التي تواجه أثناء بدء التشغيل أو التغيرات المفاجئة في الحمل.

2.2 الخصائص الحرارية

إدارة الحرارة أمر بالغ الأهمية للموثوقية والأداء.

• أقصى درجة حرارة تقاطع (TJ,max):175 درجة مئوية. هذه هي أقصى درجة حرارة يمكن للتقاطع شبه الموصل أن يتحملها. التشغيل المستمر عند هذا الحد أو بالقرب منه سيقلل بشكل كبير من عمر الجهاز.
• المقاومة الحرارية، من التقاطع إلى العلبة (RθJC):1.9 درجة مئوية/واط (نموذجي). هذه المعلمة تقيس المعاوقة الحرارية بين شريحة أشباه الموصلات (التقاطع) والعلبة الخارجية للغلاف. تشير القيمة الأقل إلى نقل حرارة أفضل من الشريحة إلى المبرد. يمكن حساب إجمالي ارتفاع درجة حرارة التقاطع كـ ΔTJ = PD * RθJC، حيث PD هي الطاقة المبددة في الثنائي.
• إجمالي تبديد الطاقة (PD):42 واط عند TC=25 درجة مئوية. هذه هي أقصى طاقة يمكن للجهاز تبديدها تحت شرط الاختبار المحدد. عمليًا، يقل التبديد المسموح به مع زيادة درجة حرارة العلبة.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة ضرورية للتصميم والتحليل.

3.1 خصائص VF-IF

يرسم هذا الرسم البياني جهد الأمام (VF) مقابل تيار الأمام (IF). يظهر العلاقة غير الخطية، التي تبدأ عادةً بجهد الركبة ثم تزداد تقريبًا بشكل خطي. يستخدم المصممون هذا المنحنى لتحديد خسائر التوصيل بدقة عند تيارات تشغيل محددة، وهو أكثر دقة من استخدام قيمة VF نموذجية واحدة.

3.2 خصائص VR-IR

يوضح هذا المنحنى تيار التسرب العكسي (IR) كدالة للجهد العكسي المطبق (VR). يوضح كيف يزداد تيار التسرب مع كل من الجهد العكسي ودرجة حرارة التقاطع. هذا أمر حيوي لتقدير الخسائر في حالة الإيقاف، خاصة في تطبيقات الجهد العالي.

3.3 خصائص VR-Ct

يظهر هذا الرسم البياني السعة الإجمالية (Ct) للثنائي مقابل الجهد العكسي (VR). السعة التقاطعية غير خطية للغاية، وتنخفض بشكل كبير مع زيادة الجهد العكسي (من 208 بيكو فاراد عند 1 فولت إلى 18 بيكو فاراد عند 400 فولت). هذه السعة غير الخطية هي عامل رئيسي في حساب سلوك التبديل ومعلمة QC.

3.4 أقصى تيار أمامي مقابل درجة حرارة العلبة

يظهر منحنى تخفيض التصنيف هذا كيف ينخفض أقصى تيار أمامي مستمر مسموح به (IF) مع زيادة درجة حرارة العلبة (TC). إنه دليل أساسي لتصميم المبرد، مما يضمن ألا تتجاوز درجة حرارة التقاطع الحد الأقصى المسموح به تحت جميع ظروف التشغيل.

3.5 المعاوقة الحرارية العابرة

يرسم هذا المنحنى المقاومة الحرارية العابرة (ZθJC) مقابل عرض النبضة. إنه أمر بالغ الأهمية لتقييم ارتفاع درجة حرارة التقاطع أثناء نبضات الطاقة قصيرة المدى، مثل تلك التي تحدث أثناء أحداث التبديل أو ظروف الذروة. تسبب الكتلة الحرارية للغلاف أن تكون المقاومة الحرارية الفعالة أقل للنبضات القصيرة جدًا.

4. معلومات الميكانيكا والغلاف

4.1 مخطط الغلاف والأبعاد

يستخدم الجهاز الغلاف القياسي في الصناعة TO-247-2L. تشمل الأبعاد الرئيسية من الرسم التخطيطي الطول الإجمالي للغلاف حوالي 20.0 ملم، والعرض 16.26 ملم، والارتفاع 4.7 ملم (باستثناء الأطراف). للأطراف سمك وتباعد محددان لضمان التوافق مع تخطيطات اللوحة المطبوعة القياسية وفتحات تركيب المبرد.

4.2 تكوين الأطراف وتحديد القطبية

يحتوي غلاف TO-247-2L على طرفين. الطرف 1 معرف على أنه الكاثود (K)، والطرف 2 هو الأنود (A). من المهم أن اللسان المعدني أو علبة الغلاف متصل كهربائيًا بالكاثود. يجب مراعاة ذلك بعناية أثناء التركيب لضمان العزل الكهربائي المناسب إذا لم يكن المبرد عند جهد الكاثود. يتم توفير نمط أرضي موصى به للوحة المطبوعة (تخطيط الوسادة) لضمان لحام و أداء حراري موثوق عند استخدام شكل طرف للتركيب السطحي.

5. إرشادات التركيب والتجميع

التركيب السليم أمر بالغ الأهمية للأداء والموثوقية.

• عزم الربط:عزم الربط الموصى به لبرغي التثبيت (M3 أو 6-32) هو 8.8 نيوتن-سم (أو 8.8 رطل-بوصة). تطبيق العزم الصحيح يضمن اتصالًا حراريًا مثاليًا بين علبة الغلاف والمبرد دون الإضرار بالغلاف.
• مادة الواجهة الحرارية (TIM):يجب دائمًا استخدام شحم حراري أو وسادة مناسبة بين علبة الثنائي والمبرد لملء فجوات الهواء المجهرية وتقليل المقاومة الحرارية.
• العزل الكهربائي:نظرًا لأن العلبة متصلة بالكاثود، فإنه يلزم وسادة عازلة كهربائيًا ولكن موصلة حرارياً (مثل الميكا، أو مطاط السيليكون مع حشو سيراميك) إذا كان المبرد عند جهد مختلف. يجب أن يتجاوز تصنيف جهد العزل لهذه الوسادة جهد تشغيل النظام.
• ظروف التخزين:يجب تخزين الجهاز ضمن نطاق درجة حرارة من -55 درجة مئوية إلى +175 درجة مئوية في بيئة جافة وغير تآكلية.

6. توصيات التطبيق

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

ثنائي شوتكي SiC هذا مناسب بشكل مثالي للعديد من دوائر إلكترونيات الطاقة الرئيسية:

• تصحيح معامل القدرة (PFC):يستخدم في مرحلة محول التعزيز لمزودات الطاقة ذات الوضع التبديلي (SMPS). يقلل تبديله السريع و QC المنخفض من خسائر التبديل عند الترددات العالية (غالبًا 65 كيلو هرتز إلى 150 كيلو هرتز)، مما يحسن كفاءة مرحلة PFC.
• مرحلة العاكس الشمسي من التيار المستمر إلى المتردد:يستخدم في جسر العاكس أو كثنائي دوار حر. يساهم تصنيف الجهد العالي والكفاءة في كفاءة عاكس إجمالية أعلى، وهو أمر بالغ الأهمية لإنتاج الطاقة الشمسية.
• مصدر الطاقة غير المنقطع (UPS):يستخدم في كل من أقسام المقوم/الشاحن والعاكس. تساعد قدرة الذروة العالية (IFSM) في التعامل مع تيارات شحن البطارية والتغيرات المفاجئة في حمل الخرج.
• عواكس محرك المحركات:يعمل كالثنائي الدوار الحر عبر ترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs) أو MOSFETs في جسر الخرج. يلغي عدم وجود شحنة استرداد عكسية خسائر الاسترداد العكسي وارتفاعات الجهد المرتبطة بها، مما يسمح بتبديل أكثر سلاسة وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

6.2 اعتبارات التصميم

• دوائر المخمد (Snubber):نظرًا للتبديل السريع جدًا وعدم وجود استرداد عكسي فعليًا، قد يتم تبسيط دوائر المخمد للتحكم في di/dt أو dv/dt أو حتى تصبح غير ضرورية مقارنة بالثنائيات التقاطعية PN السيليكونية. ومع ذلك، لا يزال يمكن أن تسبب المحاثة الطفيلية الناتجة عن التخطيط ارتفاعًا في الجهد ويجب تقليلها إلى الحد الأدنى بتخطيط لوحة مطبوعة محكم.
• التشغيل المتوازي:يجعل معامل درجة الحرارة السلبي لـ VF هذه الثنائيات مناسبة بطبيعتها للتشغيل المتوازي لزيادة التعامل مع التيار. عندما يسخن أحد الثنائيات، ينخفض VF الخاص به، مما يجعله يتقاسم المزيد من التيار، مما يعزز توازن التيار بدلاً من الانحراف الحراري. ومع ذلك، لا يزال يوصى بالاهتمام الدقيق بالتخطيط المتماثل والاقتران الحراري.
• تحديد حجم المبرد:استخدم تبديد الطاقة (المحسوب من VF و IR)، و RθJC، ومنحنى تخفيض التصنيف لتحديد حجم المبرد بدقة. الهدف هو الحفاظ على درجة حرارة التقاطع أقل بكثير من 175 درجة مئوية (على سبيل المثال، 125-150 درجة مئوية) للموثوقية طويلة المدى.

7. المقارنة التقنية والمزايا

مقارنة بثنائيات الاسترداد السريع السيليكونية القياسية (FRDs) أو حتى الثنائيات التقاطعية PN السيليكونية، يقدم ثنائي شوتكي SiC هذا مزايا مميزة:

• استرداد عكسي شبه معدوم:حاجز شوتكي هو جهاز ناقل أغلبية، على عكس التقاطعات PN التي هي أجهزة ناقل أقلية. هذا يلغي الشحنة المخزنة ووقت الاسترداد العكسي المرتبط (trr) والتيار (Irr). هذه هي الميزة الأكثر أهمية، مما يؤدي إلى خسائر تبديل أقل بشكل كبير.
• درجة حرارة تشغيل أعلى:يسمح فجوة النطاق الأوسع لكربيد السيليكون بأقصى درجة حرارة تقاطع أعلى (175 درجة مئوية مقابل 150 درجة مئوية عادةً للسيليكون)، مما يوفر هامش تصميم أكبر أو يسمح بمبردات أصغر.
• تردد تبديل أعلى:مزيج انخفاض QC وعدم وجود استرداد عكسي يتيح التشغيل بكفاءة عند ترددات أعلى بكثير. هذا يسمح باستخدام مكونات سلبية أصغر (ملفات، مكثفات، محولات)، مما يزيد من كثافة الطاقة.
• انخفاض جهد الأمام:عند تيارات التشغيل النموذجية، غالبًا ما يكون لثنائيات شوتكي SiC VF مماثل أو أقل من ثنائيات FRD السيليكونية عالية الجهد، مما يقلل من خسائر التوصيل.
• المفاضلة:كانت المفاضلة التاريخية الأساسية هي التكلفة، على الرغم من أن أسعار أجهزة SiC قد انخفضت بشكل كبير. أيضًا، يكون تيار التسرب العكسي لثنائيات شوتكي عمومًا أعلى من ثنائيات PN ويزداد بشكل أكثر حدة مع درجة الحرارة، مما يمكن أن يكون اعتبارًا في تطبيقات درجة الحرارة العالية جدًا.

8. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س1: ماذا يعني \"خسائر تبديل شبه معدومة\" عمليًا؟

ج1: يعني أن آلية خسائر التبديل السائدة في الثنائي - خسائر الاسترداد العكسي - يمكن إهمالها. ومع ذلك، لا تزال تحدث خسائر بسبب شحن وتفريغ السعة التقاطعية (المتعلقة بـ QC). تكون هذه الخسائر السعوية عادةً أصغر بكثير من خسائر الاسترداد العكسي للثنائي السيليكوني، خاصة عند الترددات العالية.

س2: كيف أختار مبردًا لهذا الثنائي؟

ج2: أولاً، احسب أسوأ حالة لتبديد الطاقة: PD = (VF * IF_avg) + (VR * IR_avg). استخدم قيم VF و IR عند درجة حرارة التقاطع التشغيلية المتوقعة. ثم، حدد أقصى درجة حرارة تقاطع مستهدفة (على سبيل المثال، 140 درجة مئوية). يمكن العثور على المقاومة الحرارية المطلوبة للمبرد (RθSA) من: RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS، حيث TA هي درجة الحرارة المحيطة و RθCS هي المقاومة الحرارية لمادة الواجهة.

س3: هل يمكنني استخدام هذا الثنائي مباشرة كبديل لثنائي سيليكوني في دارتي الحالية؟

ج3: ليس دائمًا دون مراجعة. بينما قد يكون تخطيط الأطراف والغلاف متوافقًا، يمكن أن يؤدي التبديل الأسرع إلى ارتفاع أكبر في الجهد بسبب المحاثة الطفيلية للدائرة. قد تحتاج محركات البوابة أو التحكم في ترانزستور التبديل المرتبط إلى تعديل. قد يغير جهد الأمام المنخفض أيضًا سلوك الدائرة قليلاً. يوصى بمراجعة تصميم شاملة.

س4: لماذا العلبة متصلة بالكاثود؟

ج4: هذا شائع في أغلفة الطاقة. يسمح باستخدام اللسان المعدني الكبير، الممتاز لنقل الحرارة، كاتصال كهربائي. هذا يقلل من المحاثة الطفيلية في مسار الكاثود، وهو مفيد للتبديل عالي السرعة. يتطلب ذلك عزلًا دقيقًا إذا لم يكن المبرد عند جهد الكاثود.

9. دراسة حالة تصميم عملية

السيناريو: تصميم مرحلة PFC تعزيز بقدرة 1.5 كيلو واط.

افترض نطاق جهد دخل 85-265 فولت متردد، جهد خرج 400 فولت مستمر، وتردد تبديل 100 كيلو هرتز. يجب أن يحجب ثنائي التعزيز 400 فولت ويحمل تيار الملف. تظهر الحسابات تيار قمة حوالي 10 أمبير وتيار ثنائي متوسط حوالي 4 أمبير.



سيواجه ثنائي سيليكوني فائق السرعة مع trr بقيمة 50 نانو ثانية و QC بقيمة 30 نانو كولوم خسائر استرداد عكسي كبيرة عند 100 كيلو هرتز. من خلال اختيار ثنائي شوتكي SiC هذا (QC=12 نانو كولوم، بدون trr)، يتم تقليل خسائر التبديل في الثنائي إلى الخسائر السعوية فقط. وهذا يحسن الكفاءة مباشرة بنسبة 0.5-1.5٪، ويقلل من توليد الحرارة، وقد يسمح بمبرد أصغر أو يتيح التشغيل في درجة حرارة محيطة أعلى. يستفيد التصميم أيضًا من تقليل التداخل الكهرومغناطيسي بسبب عدم وجود ارتفاعات تيار الاسترداد العكسي.

10. مبدأ التشغيل

يتكون ثنائي شوتكي من تقاطع معدني-شبه موصل، على عكس ثنائي التقاطع PN القياسي الذي يستخدم تقاطع شبه موصل-شبه موصل. في ثنائي شوتكي SiC، يتم ترسيب معدن (مثل التيتانيوم) على كربيد السيليكون. هذا يخلق حاجز شوتكي يسمح للتيار بالتدفق بحرية في الاتجاه الأمامي عند تطبيق جهد صغير (انخفاض VF). في الاتجاه العكسي، يحجب الحاجز تدفق التيار. لأن التوصيل يعتمد فقط على حاملات الأغلبية (الإلكترونات في ركيزة SiC من النوع N)، لا يوجد حقن وتخزين لحاملات الأقلية. وبالتالي، عندما ينعكس الجهد، لا توجد شحنة مخزنة يجب إزالتها، مما يؤدي إلى خاصية الإيقاف شبه الفورية وعدم وجود استرداد عكسي.

11. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل أجهزة كربيد السيليكون للطاقة، بما في ذلك ثنائيات شوتكي و MOSFETs، اتجاهًا رئيسيًا في إلكترونيات الطاقة نحو كفاءة أعلى، وتردد أعلى، وكثافة طاقة أعلى. ينتقل السوق من أجهزة 600-650 فولت (تتنافس مع MOSFETs Superjunction السيليكونية و IGBTs) إلى تصنيفات 1200 فولت و 1700 فولت للتطبيقات الصناعية والسيارات. أصبح دمج ثنائيات SiC مع MOSFETs SiC في وحدات شائعًا لمراحل طاقة عالية الأداء كاملة. تدفع التحسينات المستمرة في جودة مادة SiC وعمليات التصنيع إلى خفض التكاليف وتحسين موثوقية الجهاز، مما يجعل تقنية SiC الخيار المفضل للتصميمات الجديدة في تطبيقات الطاقة المتوسطة والعالية حيث يكون الأداء أمرًا بالغ الأهمية.