ورقة بيانات ثنائي شوتكي SiC بغلاف TO-252-3L - 650 فولت، 8 أمبير، 1.5 فولت، 175°C - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تشرح هذه الوثيقة مواصفات ثنائي حاجز شوتكي (SBD) عالي الأداء من كربيد السيليكون (SiC) مُحاط بغلاف سطح التثبيت TO-252-3L (DPAK). تم تصميم الجهاز لتطبيقات تحويل الطاقة عالية الجهد والتردد حيث تكون الكفاءة والأداء الحراري وسرعة التبديل عوامل حاسمة. تستفيد التكنولوجيا الأساسية من الخصائص المتفوقة لمادة كربيد السيليكون، مما يتيح التشغيل في درجات حرارة وجهد وترددات تبديل أعلى مقارنة بالثنائيات التقليدية القائمة على السيليكون.

يتموضع هذا المكون بشكل أساسي كمقوم أو ثنائي حر في دوائر إمداد الطاقة المتقدمة. تجعله خصائصه الفطرية خيارًا مثاليًا لتصميمات الطاقة الحديثة عالية الكثافة التي تهدف إلى تقليل الفاقد وتصغير حجم المكونات السلبية ومشتتات الحرارة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الخصائص الكهربائية

تحدد المعايير الكهربائية حدود التشغيل والأداء تحت ظروف محددة.

• جهد الذروة العكسي المتكرر (VRRM):650 فولت. هذا هو أقصى جهد عكسي لحظي يمكن للثنائي تحمله بشكل متكرر. وهو يحدد فئة الجهد للجهاز وهو أمر بالغ الأهمية لاختيار الثنائيات في دوائر مثل تصحيح معامل القدرة (PFC) أو جسور العاكس التي تعمل بجهد شبكة مقوم.
• تيار الأمام المستمر (IF):8 أمبير عند درجة حرارة الغلاف (TC) تبلغ 135°C. يشير هذا التصنيف إلى قدرة الثنائي على تحمل التيار أثناء التوصيل المستمر، والمحدودة بتبديده الحراري. يسلط التحديد عند درجة حرارة غلاف عالية الضوء على أدائه الحراري القوي.
• الجهد الأمامي (VF):عادة 1.5 فولت عند 8 أمبير ودرجة حرارة تقاطع (TJ) 25°C، بحد أقصى 1.85 فولت. تؤثر هذه المعلمة مباشرة على فاقد التوصيل. يساهم انخفاض VF النسبي لجهاز SiC في كفاءة نظام أعلى. لاحظ أن VF له معامل درجة حرارة سالب، مما يعني أنه ينخفض مع ارتفاع درجة حرارة التقاطع، وهي خاصية لثنائيات شوتكي.
• التيار العكسي (IR):بحد أقصى 40 ميكرو أمبير عند 520 فولت و 25°C. هذا التيار التسريبي منخفض للغاية، حتى عند الجهود العكسية العالية ودرجات الحرارة المرتفعة (بحد أقصى 20 ميكرو أمبير عند 175°C)، مما يقلل من الفاقد في حالة الإيقاف.
• الشحنة السعوية الإجمالية (QC):12 نانو كولوم نموذجيًا عند 400 فولت. هذا هو رقم الجدارة الرئيسي لأداء التبديل. يعني انخفاض QC حاجة إلى إزاحة شحنة أقل خلال كل دورة تبديل، مما يؤدي إلى تقليل فاقد التبديل وتمكين التشغيل بتردد أعلى.

2.2 الحدود القصوى والخصائص الحرارية

تحدد هذه المعلمات الحدود المطلقة للتشغيل الآمن وقدرة الجهاز على إدارة الحرارة.

• تيار الأمام الاندفاعي غير المتكرر (IFSM):14.4 أمبير لمدة 10 مللي ثانية (موجة نصف جيبية). هذا التصنيف حيوي للنجاة من أحداث الدائرة القصيرة، أو تيارات التشغيل الأولي، أو ظروف التحميل الزائد العابرة الأخرى.
• درجة حرارة التقاطع (TJ):بحد أقصى 175°C. درجة حرارة التشغيل القصوى العالية هي فائدة مباشرة لمادة SiC، مما يسمح بالتشغيل في بيئات قاسية أو تمكين تصميمات أكثر إحكامًا بكثافة طاقة أعلى.
• المقاومة الحرارية، من التقاطع إلى الغلاف (RθJC):3.7 درجة مئوية/واط نموذجيًا. تشير هذه المقاومة الحرارية المنخفضة إلى نقل حراري فعال من تقاطع أشباه الموصلات إلى غلاف العبوة. إنها معلمة حرجة لتصميم إدارة الحرارة، حيث تحدد مقدار ارتفاع درجة حرارة التقاطع لفقد طاقة معين. يسمح انخفاض RθJC بمعالجة طاقة أعلى أو استخدام مشتت حرارة أصغر.
• فاقد الطاقة الإجمالي (PD):40 واط. هذه هي أقصى طاقة يمكن للجهاز تبديدها، محكومة بالمقاومة الحرارية وأقصى درجة حرارة تقاطع.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة ضرورية للتصميم والمحاكاة التفصيلية.

3.1 الخصائص الأمامية (VF-IF)

يرسم هذا الرسم البياني انخفاض الجهد الأمامي مقابل التيار الأمامي عند درجات حرارة تقاطع مختلفة. يستخدم المصممون هذا لحساب فاقد التوصيل بدقة تحت ظروف تشغيل مختلفة. سيظهر المنحنى العلاقة الأسية النموذجية، مع انخفاض الجهد عند درجات حرارة أعلى لتيار معين.

3.2 الخصائص العكسية (VR-IR)

يوضح هذا المنحنى التيار التسريبي العكسي كدالة للجهد العكسي المطبق. يؤكد التيار التسريبي المنخفض المحدد في الجدول عبر نطاق جهد التشغيل.

3.3 خصائص السعة (VR-Ct)

يظهر هذا الرسم البياني سعة التقاطع (Ct) مقابل الجهد العكسي (VR). تنخفض السعة بشكل غير خطي مع زيادة الجهد العكسي. هذه المعلومات حرجة للتنبؤ بسلوك التبديل، حيث أن الشحنة المخزنة (QC) هي تكامل هذه السعة على الجهد. انخفاض السعة مع الجهد هو سمة مواتية للتبديل عالي الجهد.

3.4 تخفيض تيار الاندفاع (IFSM – PW)

تظهر هذه الخاصية كيف ينخفض تيار الاندفاع المسموح به (IFSM) مع زيادة عرض النبضة (PW). توفر إرشادات لتصميم دوائر الحماية أو تقييم قدرة النجاة من ظروف العطل بما يتجاوز التصنيف القياسي البالغ 10 مللي ثانية.

3.5 المعاوقة الحرارية العابرة (ZθJC)

هذا المنحنى حاسم لتقييم الأداء الحراري تحت ظروف طاقة النبض. يظهر المقاومة الحرارية الفعالة من التقاطع إلى الغلاف لنبضات فردية بمدة متفاوتة. بالنسبة للنبضات القصيرة، تكون المعاوقة الحرارية أقل بكثير من RθJC في الحالة المستقرة، مما يعني أن التقاطع يمكنه تحمل طاقة لحظية أعلى دون ارتفاع درجة الحرارة. هذا مفتاح للتطبيقات ذات تيارات الذروة العالية.

4. معلومات الميكانيكية والغلاف

4.1 مخطط الغلاف والأبعاد

يستخدم الجهاز غلاف سطح التثبيت القياسي في الصناعة TO-252-3L (DPAK). تشمل الأبعاد الرئيسية من ورقة البيانات:

• طول جسم الغلاف (D): 6.10 ملم (نموذجي)
• عرض جسم الغلاف (E): 6.60 ملم (نموذجي)
• الارتفاع الكلي (H): 9.84 ملم (نموذجي)
• بعد الأطراف (e1): 2.28 ملم (أساسي)
• طول الطرف (L): 1.52 ملم (نموذجي)

يتم توفير رسومات ميكانيكية مفصلة بقيم دنيا ونموذجية وقصوى لجميع الأبعاد الحرجة لضمان تصميم بصمة لوحة دوائر مطبوعة صحيح ومسافة تجميع مناسبة.

4.2 تكوين الأطراف والقطبية

يحتوي غلاف TO-252-3L على ثلاث نقاط اتصال: طرفين واللسان المعدني المكشوف (الغلاف).

• الطرف 1:المهبط (K)
• الطرف 2:المصعد (A)
• الغلاف (اللسان):متصل بالمهبط (K)

ملاحظة هامة:الغلاف متصل كهربائيًا بالمهبط. يجب مراعاة ذلك أثناء تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة لمنع حدوث دوائر قصر عرضية. يوفر اللسان المسار الأساسي لتبديد الحرارة ويجب لحامه بوسادة نحاسية بحجم مناسب على لوحة الدوائر المطبوعة.

4.3 تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة الموصى به

يتم تضمين بصمة مقترحة لوسادات سطح التثبيت. تم تحسين هذا التخطيط لموثوقية وصلة اللحام والأداء الحراري. يتميز عادةً بوسادة مركزية كبيرة للسان الحراري (المهبط) لتعظيم نقل الحرارة إلى النحاس في لوحة الدوائر المطبوعة، مع وسادتين أصغر لأطراف المصعد والمهبط. يساعد اتباع هذه التوصية في تحقيق حشوات لحام صحيحة وتقليل الإجهاد الحراري.

5. إرشادات اللحام والتجميع

بينما لم يتم تفصيل ملفات إعادة التدفق المحددة في هذا المقتطف، تنطبق الإرشادات العامة لأجهزة سطح التثبيت في أغلفة TO-252.

• لحام إعادة التدفق:ملفات إعادة التدفق القياسية الخالية من الرصاص مناسبة عادةً بدرجة حرارة ذروة لا تتجاوز 260°C. قد تتطلب الكتلة الحرارية الكبيرة للسان ضبطًا دقيقًا للملف لضمان وصول جميع وصلات اللحام إلى درجة حرارة إعادة تدفق مناسبة.
• التعامل:يجب مراعاة احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) القياسية، كما هو الحال مع جميع أجهزة أشباه الموصلات.
• التخزين:يجب تخزين الأجهزة في بيئة جافة ومسيطر عليها. نطاق درجة حرارة التخزين المحدد هو من -55°C إلى +175°C.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

• ثنائي التعزيز في مراحل PFC:يقلل تبديله السريع وانخفاض QC من فاقد التبديل عند الترددات العالية (مثل 65-100 كيلو هرتز)، مما يحسن كفاءة PFC. جهد VRRM العالي مناسب لتصميمات الإدخال العالمي (85-265 فولت متردد).
• المقوم الناتج في محولات LLC الرنانة:تزيل خاصية عدم الاسترداد العكسي فاقد الاسترداد العكسي، وهي ميزة رئيسية في دوائر الرنان عالية التردد، مما يؤدي إلى تشغيل أكثر برودة وكفاءة أعلى.
• ثنائي الحر/التثبيت في محركات المحركات والعواكس:يستخدم بالتوازي مع MOSFETs أو IGBTs التبديلية لتوفير مسار لتيار الحمل الحثي. يمنع التبديل السريع ارتفاع الجهد ويقلل الإجهاد على المفتاح الرئيسي.
• العواكس الصغيرة للطاقة الشمسية وعواكس السلاسل:يستفيد من الكفاءة العالية والتشغيل في درجات حرارة مرتفعة في البيئات الخارجية.
• محولات AC/DC و DC/DC عالية الكثافة:يسمح الجمع بين قدرة التردد العالي وتصنيف درجة الحرارة المرتفع باستخدام مكونات مغناطيسية ومشتتات حرارة أصغر، مما يزيد من كثافة الطاقة.

6.2 اعتبارات التصميم

• الإدارة الحرارية:على الرغم من انخفاض RθJC، فإن مشتت الحرارة المناسب ضروري. يجب توصيل وسادة لوحة الدوائر المطبوعة للسان بمستويات نحاسية كبيرة أو مشتت حرارة خارجي لاستخدام تصنيفات التيار والطاقة الكاملة. يمكن أن تساعد الثقوب الحرارية تحت الوسادة في نقل الحرارة إلى الطبقات الداخلية أو السفلية.
• توازي الأجهزة:تذكر ورقة البيانات فائدة "توازي الأجهزة دون هروب حراري". هذا بسبب معامل درجة الحرارة الموجب للجهد الأمامي في ثنائيات شوتكي SiC. عندما يسخن جهاز واحد، يزداد VF قليلاً، مما يتسبب في توزيع التيار بشكل أكثر توازناً مع الأجهزة المتوازية الأكثر برودة، مما يعزز تقاسم التيار المستقر.
• دوائر المخمد (Snubber):بينما يكون الثنائي نفسه سريعًا جدًا، لا تزال الطفيليات الدائرية (الحثية الطفيلية) يمكن أن تسبب ارتفاعًا زائدًا في الجهد أثناء الإيقاف. قد تكون دوائر المخمد (RC أو RCD) ضرورية في بعض تطبيقات di/dt العالية لتثبيت هذه الارتفاعات وحماية الثنائي والمكونات الأخرى.
• اعتبارات تشغيل البوابة (للمفاتيح المرتبطة):يمكن أن يؤدي التبديل السريع لهذا الثنائي إلى ارتفاع di/dt و dv/dt. قد يتطلب ذلك الاهتمام بتصميم تشغيل بوابة MOSFET/IGBT المرافق لتجنب مشاكل مثل التشغيل الخاطئ بسبب تأثير ميلر.

7. المقارنة التقنية والمزايا

مقارنة بثنائيات الاسترداد السريع السيليكونية القياسية (FRDs) أو حتى ثنائيات جسم MOSFET من SiC، يقدم ثنائي شوتكي SiC هذا مزايا مميزة:

• تيار الاسترداد العكسي صفر (Qrr=0):هذه هي أهم ميزة له مقارنة بثنائيات الوصلة PN السيليكونية. إنه يلغي تمامًا فاقد الاسترداد العكسي والضوضاء المرتبطة بالتبديل، مما يمكن من كفاءة وتردد أعلى.
• جهد أمامي أقل من ثنائيات SiC المبكرة:قللت ثنائيات شوتكي SiC الحديثة بشكل كبير من VF، مما يقلص الفجوة مع الثنائيات السيليكونية مع الاحتفاظ بجميع فوائد السرعة العالية ودرجة الحرارة المرتفعة.
• درجة حرارة تشغيل أعلى:175°C كحد أقصى لدرجة حرارة التقاطع مقابل 150°C عادةً للسيليكون، مما يوفر هامش تصميم أكبر وموثوقية في البيئات الساخنة.
• قدرة اندفاع متفوقة:تصنيف IFSM جيد بالنسبة لحجمه، مما يوفر متانة.
• مقارنة بثنائي جسم MOSFET من SiC:بينما يكون ثنائي جسم MOSFET من SiC أيضًا ثنائي PIN مع استرداد عكسي ضعيف، فإن استخدام ثنائي شوتكي SiC منفصل كثنائي حر غالبًا ما يكون مفضلاً في دوائر التبديل الصلب لتجنب فاقد ثنائي الجسم.

8. الأسئلة الشائعة (FAQs)

س: ماذا يعني عمليًا "عدم الاسترداد العكسي" لتصميمي؟

ج: يعني أنه يمكنك تجاهل فاقد الاسترداد العكسي في حسابات الكفاءة الخاصة بك. كما أنه يبسط تصميم المخمد ويقلل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) الناتج أثناء إيقاف الثنائي.

س: الغلاف متصل بالمهبط. كيف أعزله إذا لزم الأمر؟

ج: يتطلب العزل الكهربائي استخدام وسادة حرارية عازلة (مثل الميكا، السيليكون) بين لسان الثنائي ومشتت الحرارة، جنبًا إلى جنب مع غسالة كتف عازلة لبرغي التثبيت. هذا يضيف مقاومة حرارية، لذا يجب حساب المقايضة.

س: هل يمكنني استخدام هذا الثنائي عند تصنيفه الكامل 8 أمبير بشكل مستمر؟

ج: فقط إذا تمكنت من الحفاظ على درجة حرارة الغلاف عند 135°C أو أقل. سيكون التيار المستمر الفعلي أقل إذا أدى التصميم الحراري إلى درجة حرارة غلاف أعلى. استخدم فاقد الطاقة (PD) والمقاومة الحرارية (RθJC) لحساب أقصى فاقد طاقة مسموح به لظروف مشتت الحرارة والبيئة المحددة لديك، ثم استنتج التيار من منحنى VF.

س: لماذا معلمة QC مهمة؟

ج: تمثل QC الطاقة المخزنة في سعة تقاطع الثنائي. أثناء تشغيل المفتاح المعاكس في الدائرة، يجب إزالة هذه الشحنة، مما يتسبب في ارتفاع حاد في التيار. يقلل انخفاض QC من هذا الارتفاع، مما يقلل فاقد التبديل في مفتاح التحكم ويقلل الإجهاد على كلا المكونين.

9. دراسة حالة تصميم عملية

السيناريو:تصميم وحدة إمداد طاقة خادم (PSU) بقدرة 500 واط، بكفاءة 80Plus Titanium، مع مرحلة PFC عمودية بدون جسر تعمل بتردد 100 كيلو هرتز.

التحدي:تظهر الثنائيات السيليكونية فائقة السرعة التقليدية في موضع تعزيز PFC فاقد استرداد عكسي كبير عند 100 كيلو هرتز، مما يحد من الكفاءة ويسبب مشاكل في الإدارة الحرارية.

الحل:تنفيذ ثنائي شوتكي SiC 650 فولت كثنائي التعزيز.

التنفيذ والنتيجة:

1. يتم وضع الثنائي في موضع ثنائي التعزيز القياسي.

2. بسبب عدم استرداده العكسي، يتم القضاء فعليًا على فاقد تبديل الإيقاف.

3. يقلل انخفاض Qc من فاقد تشغيل MOSFET التكميلي.

4. يسمح تصنيف 175°C العالي بوضعه بالقرب من المكونات الساخنة الأخرى.

5. النتيجة:تزداد كفاءة مرحلة PFC المقاسة بنحو ~0.7% عند الحمل الكامل مقارنة بأفضل بديل سيليكوني. يساهم هذا مباشرة في تلبية معيار كفاءة Titanium الصارم. علاوة على ذلك، يعمل الثنائي بشكل أكثر برودة، مما يسمح بتخطيط أكثر إحكامًا أو تقليل متطلبات تدفق الهواء، مما يزيد من كثافة الطاقة.

10. مبدأ التشغيل

يتكون ثنائي شوتكي من وصلة معدن-شبه موصل، على عكس ثنائي الوصلة PN القياسي الذي يستخدم وصلة شبه موصل-شبه موصل. في ثنائي شوتكي من كربيد السيليكون، يكون شبه الموصل هو SiC. تخلق وصلة معدن-SiC حاجز شوتكي يسمح بتوصيل حاملات الأغلبية فقط (الإلكترونات في SiC من النوع N). هذا على عكس ثنائي PN، حيث يتضمن التوصيل كل من حاملات الأغلبية والأقلية (تيار الانتشار).

غياب حقن وتخزين حاملات الأقلية هو السبب الأساسي لعدم وجود استرداد عكسي. عندما ينعكس الجهد عبر ثنائي شوتكي، لا توجد شحنة أقلية مخزنة تحتاج إلى إزالتها من منطقة الانجراف؛ يتوقف التيار ببساطة بشكل شبه فوري بمجرد استنفاد الحاملات من الوصلة. يؤدي هذا إلى خاصية "عدم الاسترداد العكسي". التبديل السريع هو نتيجة مباشرة لهذه الآلية أحادية القطب للتوصيل.

11. اتجاهات التكنولوجيا

أجهزة طاقة كربيد السيليكون هي تكنولوجيا تمكينية رئيسية للاتجاه المستمر نحو كفاءة أعلى وتردد أعلى وكثافة طاقة أعلى عبر جميع قطاعات إلكترونيات القوى. يتم دفع سوق ثنائيات SiC من خلال عدة عوامل:

• المركبات الكهربائية (EVs):الطلب على أجهزة الشحن على متن المركبات (OBCs) الأسرع، ومحولات DC-DC الأكثر كفاءة، وعواكس الجر بترددات تبديل أعلى.
• الطاقة المتجددة:تستفيد عواكس الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من الكفاءة الأعلى، مما يزيد من إنتاج الطاقة، وقدرة درجة الحرارة الأعلى، مما يحسن الموثوقية في التركيبات الخارجية.
• مراكز البيانات والاتصالات:يدفع السعي لتحقيق كفاءة أعلى (مثل 80Plus Titanium) وزيادة كثافة طاقة الرفوف إلى استخدام مكونات متقدمة مثل ثنائيات SiC في وحدات إمداد طاقة الخادم والمقومات.
• محركات المحركات الصناعية:السعي للحصول على نطاق تحكم أعلى وكفاءة أعلى.

الاتجاه لثنائيات شوتكي SiC على وجه التحديد هو نحو انخفاض الجهد الأمامي (تقليل فاقد التوصيل)، وكثافة تيار أعلى (حجم شريحة أصغر لتصنيف معين)، وتحسين الموثوقية وتقليل التكلفة من خلال نطاق التصنيع ونضج العملية. يعد التكامل مع MOSFETs من SiC في وحدات متعددة الشرائح أيضًا اتجاهًا متزايدًا.