TO-220-2L SiC-Schottky-Diode Datenblatt - 650V 10A - Gehäuse 15,6x9,99x4,5mm - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen einer leistungsstarken Siliziumkarbid (SiC) Schottky-Barrieren-Diode (SBD) im TO-220-2L-Gehäuse. Das Bauteil ist für Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungswandlungsanwendungen entwickelt, bei denen Effizienz, Wärmemanagement und Schaltgeschwindigkeit entscheidend sind. Die SiC-Technologie bietet gegenüber herkömmlichen Siliziumdioden erhebliche Vorteile, hauptsächlich aufgrund ihrer überlegenen Materialeigenschaften.

Die Kernfunktion dieser Diode besteht darin, Strom in einer Richtung (von der Anode zur Kathode) mit minimalem Durchlassspannungsabfall zu führen und hohe Sperrspannungen mit sehr geringem Leckstrom zu blockieren. Ihr entscheidender Unterschied ist die nahezu null Rückwärtserholungsladung, eine grundlegende Einschränkung von Silizium-PN-Übergangsdioden. Diese Eigenschaft macht sie ideal für Schaltungen, die bei erhöhten Schaltfrequenzen arbeiten.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die Hauptvorteile dieser SiC-Schottky-Diode ergeben sich aus ihren Material- und Struktureigenschaften. Die niedrige Durchlassspannung (VF) reduziert die Leitungsverluste und verbessert direkt die Systemeffizienz. Das Fehlen signifikanter Minoritätsträger-Speicherung eliminiert Rückwärtserholungsverluste und ermöglicht Hochgeschwindigkeitsschaltungen ohne die damit verbundenen Schaltverluste und elektromagnetischen Störungen (EMI), die für Silizium-Schnellerholungsdioden typisch sind. Dies ermöglicht den Entwurf kleinerer, leichterer und effizienterer Stromversorgungssysteme durch höhere Betriebsfrequenzen, was wiederum die Größe passiver Komponenten wie Induktivitäten und Transformatoren reduziert.

Die hohe Stoßstromfähigkeit und die maximale Sperrschichttemperatur von 175°C erhöhen die Robustheit und Zuverlässigkeit des Systems. Das Bauteil entspricht auch Umweltstandards (bleifrei, halogenfrei, RoHS). Diese Merkmale machen es besonders geeignet für anspruchsvolle Anwendungen in der modernen Leistungselektronik. Die Zielmärkte umfassen industrielle Netzteile, erneuerbare Energiesysteme und kritische Infrastruktur-Stromversorgungen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Ein gründliches Verständnis der elektrischen und thermischen Parameter ist für einen zuverlässigen Schaltungsentwurf und den Betrieb des Bauteils innerhalb seines sicheren Arbeitsbereichs (SOA) unerlässlich.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie sind nicht für normale Betriebsbedingungen vorgesehen.

• Wiederholte Spitzensperrspannung (VRRM):650V. Dies ist die maximale Sperrspannung, die wiederholt angelegt werden kann.
• Dauer-Durchlassstrom (IF):10A. Dies ist der maximale Gleichstrom, den das Bauteil kontinuierlich verarbeiten kann, begrenzt durch den Wärmewiderstand und die maximale Sperrschichttemperatur.
• Stoß-Durchlassstrom, nicht wiederholend (IFSM):30A (TC=25°C, tp=10ms, sinusförmige Halbwelle). Dieser Wert gibt die Fähigkeit der Diode an, kurzzeitige Überlastströme zu ertragen, wie sie z.B. beim Einschalten oder unter Fehlerbedingungen auftreten.
• Sperrschichttemperatur (TJ):Maximal 175°C. Der Betrieb des Bauteils an oder nahe dieser Grenze verringert seine Langzeitzuverlässigkeit.
• Gesamtverlustleistung (PD):88W (TC=25°C). Dieser Wert ergibt sich aus dem Wärmewiderstand und dem maximal zulässigen Temperaturanstieg.

2.2 Elektrische Kenngrößen

Dies sind die typischen und maximalen/minimalen Leistungsparameter unter spezifizierten Testbedingungen.

• Durchlassspannung (VF):Typisch 1,48V, maximal 1,85V bei IF=10A, TJ=25°C. Dieser Parameter steigt mit der Temperatur und erreicht bei TJ=175°C etwa 1,9V. Die niedrige VF ist ein Schlüsselvorteil zur Reduzierung der Leitungsverluste.
• Sperrstrom (IR):Typisch 2µA, maximal 60µA bei VR=520V, TJ=25°C. Der Leckstrom steigt mit der Temperatur deutlich an (typisch 20µA bei 175°C), was im thermischen Design berücksichtigt werden muss.
• Gesamte kapazitive Ladung (QC):Typisch 15nC bei VR=400V, TJ=25°C. Dies ist ein kritischer Parameter für die Berechnung der Schaltverluste in Hochfrequenzanwendungen. Der niedrige QC-Wert bestätigt die minimalen Schaltverluste dieser Schottky-Diode.
• Gesamtkapazität (Ct):Diese ist spannungsabhängig. Typische Werte sind 256pF bei VR=1V, 29pF bei VR=200V und 23pF bei VR=400V (f=1MHz). Die mit steigender Sperrspannung abnehmende Kapazität ist charakteristisch für die Sperrschichtkapazität.

2.3 Thermische Kenngrößen

Eine effektive Wärmeableitung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung von Leistung und Zuverlässigkeit.

• Wärmewiderstand, Sperrschicht-Gehäuse (RθJC):Typisch 1,7°C/W. Dieser niedrige Wert zeigt einen effizienten Wärmetransport von der Halbleitersperrschicht zum Metallflansch (Gehäuse) des TO-220-Gehäuses an. Das Gehäuse muss ordnungsgemäß an einen Kühlkörper montiert sein, um diese Eigenschaft voll auszunutzen. Der Maximalwert ist nicht spezifiziert, daher sollten Konstrukteure den typischen Wert mit angemessenen Reduktionsfaktoren verwenden.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt bietet mehrere grafische Darstellungen des Bauteilverhaltens, die für eine detaillierte Entwurfsanalyse über die tabellierten Datenpunkte hinaus unerlässlich sind.

3.1 VF-IF-Kennlinie

Diese Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen Durchlassspannung und Durchlassstrom bei verschiedenen Sperrschichttemperaturen. Sie veranschaulicht den positiven Temperaturkoeffizienten von VF. Diese Eigenschaft ist vorteilhaft für die Stromaufteilung, wenn mehrere Dioden parallel geschaltet sind, da sie einen gewissen Selbstausgleich bietet und thermisches Durchgehen verhindert.

3.2 VR-IR-Kennlinie

Dieses Diagramm stellt den Sperrleckstrom über der Sperrspannung dar, typischerweise bei mehreren Temperaturen. Es zeigt den exponentiellen Anstieg des Leckstroms mit Spannung und Temperatur und informiert Konstrukteure über Verluste im Sperrzustand und die thermische Stabilität unter hoher Sperrspannung.

3.3 Maximaler Ip – TC-Kennlinie

Diese Reduktionskurve zeigt, wie der maximal zulässige Dauer-Durchlassstrom (Ip) mit steigender Gehäusetemperatur (TC) abnimmt. Sie ist eine direkte Anwendung der Grenzwerte für Verlustleistung und Wärmewiderstand. Konstrukteure müssen dieses Diagramm verwenden, um einen geeigneten Kühlkörper basierend auf ihrer Betriebsumgebungstemperatur und dem benötigten Strom auszuwählen.

3.4 Transienter Wärmewiderstand

Die Kurve des transienten Wärmewiderstands über der Pulsbreite (ZθJC) ist entscheidend für die Bewertung des Temperaturanstiegs während kurzer Stromimpulse, wie sie in Schaltanwendungen vorkommen. Sie zeigt, dass für sehr kurze Pulse der effektive Wärmewiderstand niedriger ist als der stationäre Wert, was es dem Bauteil ermöglicht, für kurze Zeit höhere Spitzenleistung zu verarbeiten.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil verwendet das industrieübliche TO-220-2L-Gehäuse, das für die Durchsteckmontage mit Schraubbefestigung an einem Kühlkörper ausgelegt ist.

4.1 Gehäuseabmessungen und Umriss

Die detaillierte mechanische Zeichnung liefert alle kritischen Abmessungen in Millimetern. Die Hauptabmessungen des Gehäusekörpers betragen etwa 15,6mm (D) x 9,99mm (E) x 4,5mm (A). Der Anschlussabstand (Abstand zwischen den Anschlussmitten) beträgt 5,08mm (e1). Die Befestigungslochabmessungen und die Flanschgröße sind ebenfalls spezifiziert, um eine korrekte mechanische und thermische Schnittstelle mit dem Kühlkörper zu gewährleisten.

4.2 Anschlussbelegung und Polaritätskennzeichnung

Das Bauteil hat zwei Anschlüsse (2L). Anschluss 1 ist die Kathode (K), und Anschluss 2 ist die Anode (A). Wichtig: Der Metallflansch bzw. das Gehäuse des TO-220-Gehäuses ist elektrisch mit der Kathode verbunden. Dies muss bei der Montage berücksichtigt werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden, da der Kühlkörper typischerweise auf Massepotential liegt. Eine ordnungsgemäße Isolierung (z.B. ein Glimmer- oder Silikonisolator mit Wärmeleitpad) ist erforderlich, wenn der Kühlkörper nicht auf Kathodenpotential liegt.

4.3 Empfohlenes PCB-Land Pattern

Ein vorgeschlagenes Pad-Layout für die Oberflächenmontage der Anschlüsse (nach dem Biegen) wird bereitgestellt. Dies unterstützt das PCB-Design für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse und gewährleistet zuverlässige Lötstellen und eine korrekte mechanische Abstützung.

5. Anwendungsrichtlinien und Entwurfsüberlegungen

5.1 Typische Anwendungsschaltungen

Diese Diode ist in mehreren wichtigen Leistungswandlungstopologien besonders vorteilhaft:

• Leistungsfaktorkorrektur (PFC):In PFC-Boost-Stufen sind die schnelle Schaltung und die niedrigen Erholungsverluste der Diode entscheidend für hohe Effizienz bei hohen Netzfrequenzen und helfen, strenge Effizienzstandards wie 80 PLUS zu erfüllen.
• Solarwechselrichter:Eingesetzt in der Boost-Stufe oder als Freilaufdioden minimieren sie Verluste und erhöhen den Gesamtenergieertrag von Photovoltaikmodulen.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) & Motorantriebe:In den Ausgangswechselrichterstufen oder als Klemm-/Freilaufdioden reduzieren sie die Schaltverluste, ermöglichen höhere Schaltfrequenzen, was zu kleineren magnetischen Komponenten und einer verbesserten Ausgangswellenformqualität führen kann.
• Rechenzentrum-Netzteile:Hohe Effizienz ist von größter Bedeutung, um Betriebskosten (Strom) und Kühlanforderungen zu reduzieren. Diese Diode trägt direkt zur Erreichung hoher Leistungsdichte und Effizienz in Server-Netzteilen bei.

5.2 Kritische Entwurfsüberlegungen

• Kühlkörper:Der niedrige RθJC ist nur mit einem ausreichenden Kühlkörper wirksam. Das Anzugsdrehmoment für die Schraube (M3 oder 6-32) ist mit 8,8 N·m (ca. 78 lbf-in) spezifiziert, um einen optimalen Wärmekontakt zu gewährleisten, ohne das Gehäuse zu beschädigen.
• Parallelbetrieb:Der positive Temperaturkoeffizient von VF erleichtert den Parallelanschluss für höhere Stromfähigkeit. Dennoch wird eine sorgfältige Beachtung der Layoutsymmetrie (gleich lange Leiterbahnen) und einer gemeinsamen Kühlung empfohlen, um einen ausgeglichenen Stromanteil sicherzustellen.
• Spannungsbelastungen:In Schaltungen mit induktiven Lasten oder parasitären Induktivitäten können während des Abschaltens Spannungsspitzen auftreten, die VRRM überschreiten. Snubberschaltungen oder RC-Dämpfungsglieder können erforderlich sein, um diese Spitzen zu begrenzen und die Diode zu schützen.
• ESD und Handhabung:Obwohl robuster als einige Halbleiter, können Schottky-Dioden empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung sein. Während der Handhabung und Montage sollten Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden.

6. Technischer Vergleich und Trends

6.1 Vergleich mit Siliziumdioden

Im Vergleich zu einer Silizium-Schnellerholungsdiode (FRD) mit ähnlicher Spannungs- und Strombelastbarkeit bietet diese SiC-Schottky-Diode: 1) Deutlich geringere Rückwärtserholungsladung (Qrr) und -zeit (trr), wodurch Rückwärtserholungsverluste und damit verbundene Störungen im Wesentlichen entfallen. 2) Eine höhere maximale Betriebssperrschichttemperatur (175°C gegenüber typisch 150°C für Silizium). 3) Einen etwas höheren Durchlassspannungsabfall, der jedoch oft durch die Einsparung von Schaltverlusten bei Frequenzen über ~30kHz aufgewogen wird. Die Vorteile auf Systemebene umfassen kleinere Kühlkörper, kleinere magnetische Komponenten und eine höhere Gesamteffizienz.

6.2 Funktionsprinzip und Trends

Eine Schottky-Diode wird durch einen Metall-Halbleiter-Übergang gebildet, im Gegensatz zu einem PN-Übergang. Dieses Majoritätsträger-Bauteil hat keine Minoritätsträger-Speicherung, was die Ursache für seine hohe Schaltgeschwindigkeit ist. Siliziumkarbid (SiC) als Halbleitermaterial bietet eine größere Bandlücke als Silizium, was zu einer höheren Durchbruchfeldstärke, höherer Wärmeleitfähigkeit und einer höheren maximalen Betriebstemperatur führt. Der Trend in der Leistungselektronik geht stark in Richtung von Halbleitern mit großer Bandlücke wie SiC und Galliumnitrid (GaN), um die Grenzen von Effizienz, Frequenz und Leistungsdichte zu verschieben. Diese Diode repräsentiert eine ausgereifte und weit verbreitete Komponente innerhalb dieses Trends, insbesondere für Hochspannungsanwendungen, bei denen die Vorteile von SiC am deutlichsten sind.

7. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Kann diese Diode direkt als Ersatz für eine Silizium-Schnellerholungsdiode in einem bestehenden Design verwendet werden?

A: Nicht direkt ohne Bewertung. Während die Anschlussbelegung kompatibel sein kann, müssen die Unterschiede in der Durchlassspannung, dem Schaltverhalten und die Notwendigkeit eines kathodenisolierten Kühlkörpers (wenn das ursprüngliche Design den Flansch mit einem Nicht-Kathodenpotential verbunden hatte) sorgfältig überprüft werden. Schaltungssimulation und Tests werden dringend empfohlen.

F: Was bedeutet der QC-Parameter (Gesamte kapazitive Ladung)?

A: QC repräsentiert die mit der Sperrschichtkapazität verbundene Ladung. Während des Hochfrequenzschaltens muss diese Kapazität jeden Zyklus geladen und entladen werden, was zu einem kapazitiven Schaltverlust proportional zu QC * V * f führt. Der niedrige QC-Wert dieser SiC-Diode minimiert diese Verluste, die bei sehr hohen Frequenzen signifikant werden.

F: Wie verhindert der positive Temperaturkoeffizient von VF thermisches Durchgehen in Parallelschaltungen?

A: Wenn eine Diode in einem parallelen Paar beginnt, mehr Strom zu ziehen, erwärmt sie sich. Ihre VF steigt aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten, was wiederum die treibende Spannungsdifferenz durch sie im Vergleich zur kühleren Diode verringert. Dieser natürliche Rückkopplungsmechanismus fördert die Rückverlagerung des Stroms zur kühleren Diode und fördert so den Ausgleich.

F: Was sind die Lager- und Handhabungsanforderungen?

A: Das Bauteil sollte in einer antistatischen Tüte in einer Umgebung mit einem Temperaturbereich von -55°C bis +175°C und niedriger Luftfeuchtigkeit gelagert werden. Es sollten die Standardrichtlinien von IPC/JEDEC für die Handhabung von feuchtigkeitsempfindlichen (falls zutreffend) und ESD-empfindlichen Bauteilen befolgt werden.