TO-247-2L 650V SiC-Schottky-Diode Datenblatt - Gehäuse 16,26x20,0x4,7mm - Spannung 650V - Strom 8A - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen einer leistungsstarken Siliziumkarbid (SiC) Schottky-Barrieren-Diode (SBD) im TO-247-2L-Gehäuse. Die Bauteil ist für herausragende Effizienz und Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Stromwandleranwendungen entwickelt. Ihre Kernfunktion ist die Bereitstellung eines unidirektionalen Stromflusses mit minimalen Schaltverlusten und Rückwärtserholungsladung – ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Siliziumdioden.

Die primäre Positionierung dieser Diode liegt in modernen, hochfrequenten und hocheffizienten Leistungssystemen. Ihre Kernvorteile ergeben sich aus den inhärenten Materialeigenschaften von Siliziumkarbid, das im Vergleich zu Silizium einen Betrieb bei höheren Temperaturen, Spannungen und Schaltfrequenzen ermöglicht. Die Zielmärkte sind vielfältig und umfassen Branchen, in denen Energieeffizienz, Leistungsdichte und thermisches Management entscheidend sind. Dazu zählen industrielle Motorantriebe, erneuerbare Energiesysteme wie Solarwechselrichter, Netzteile für Rechenzentren und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Elektrische Eigenschaften

Die elektrischen Parameter definieren die Betriebsgrenzen und die Leistung der Diode unter spezifischen Bedingungen.

• Repetitive Spitzensperrspannung (VRRM):650V. Dies ist die maximale momentane Sperrspannung, die wiederholt angelegt werden kann. Sie definiert die Spannungsfestigkeit des Bauteils und ist entscheidend für die Auswahl der Diode für eine gegebene Zwischenkreisspannung, typischerweise mit einem Sicherheitsabstand.
• Dauerstrom in Durchlassrichtung (IF):8A. Dies ist der maximale mittlere Durchlassstrom, den die Diode kontinuierlich führen kann, begrenzt durch die maximale Sperrschichttemperatur und den Wärmewiderstand. Der Wert von 8A ist bei einer Gehäusetemperatur (TC) von 25°C spezifiziert. In realen Anwendungen ist eine Entlastung basierend auf der tatsächlichen Betriebstemperatur erforderlich.
• Flussspannung (VF):Typischerweise 1,5V bei 8A und 25°C Sperrschichttemperatur (TJ), maximal 1,85V. Dieser Parameter ist entscheidend für die Berechnung der Leitungsverluste (P_Leitung = VF * IF). Die niedrige VF ist ein Hauptvorteil der SiC-Schottky-Technologie und trägt direkt zu einer höheren Systemeffizienz bei. Beachten Sie, dass VF einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, d.h. sie nimmt mit steigender Temperatur leicht ab, was in Parallelschaltungen einen thermischen Durchbruch verhindert.
• Sperrstrom (IR):Typischerweise 2µA bei 520V und 25°C TJ. Dies ist der Leckstrom, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist. Ein niedriger Leckstrom minimiert die Verluste im Sperrzustand.
• Gesamte kapazitive Ladung (QC):12 nC (typisch) bei VR=400V. Dies ist ein kritischer Parameter für Hochfrequenzschaltungen. QC repräsentiert die Ladung, die mit der Sperrschichtkapazität der Diode verbunden ist und während jedes Schaltzyklus verdrängt werden muss. Ein niedriger QC-Wert führt direkt zu geringeren Schaltverlusten und ermöglicht einen Betrieb mit höherer Frequenz.
• Stoßstrom in Durchlassrichtung, nicht repetitiv (IFSM):29A. Dies ist der maximal zulässige nicht wiederkehrende Spitzenstrom für eine kurze Dauer (10ms, Halbsinuswelle). Er zeigt die Fähigkeit des Bauteils, Einschalt- oder Fehlerströme zu widerstehen, wie sie beim Starten oder Lastwechseln auftreten.

2.2 Thermische Eigenschaften

Das thermische Management ist für Zuverlässigkeit und Leistung von größter Bedeutung.

• Maximale Sperrschichttemperatur (TJ,max):175°C. Dies ist die absolute Maximaltemperatur, die der Halbleiterübergang aushalten kann. Dauerbetrieb an oder nahe dieser Grenze wird die Lebensdauer des Bauteils erheblich verkürzen.
• Wärmewiderstand, Sperrschicht zu Gehäuse (RθJC):1,9 °C/W (typisch). Dieser Parameter quantifiziert den thermischen Widerstand zwischen dem Halbleiterchip (Sperrschicht) und dem äußeren Gehäuse. Ein niedrigerer Wert zeigt einen besseren Wärmetransport vom Chip zum Kühlkörper an. Der gesamte Sperrschichttemperaturanstieg kann berechnet werden als ΔTJ = PD * RθJC, wobei PD die in der Diode dissipierte Leistung ist.
• Gesamtverlustleistung (PD):42W bei TC=25°C. Dies ist die maximale Leistung, die das Bauteil unter der spezifizierten Testbedingung dissipieren kann. In der Praxis nimmt die zulässige Verlustleistung mit steigender Gehäusetemperatur ab.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für Design und Analyse wesentlich sind.

3.1 VF-IF-Kennlinie

Diese Grafik stellt die Flussspannung (VF) über dem Durchlassstrom (IF) dar. Sie zeigt den nichtlinearen Zusammenhang, typischerweise beginnend mit einer Kniespannung und dann annähernd linear ansteigend. Entwickler nutzen diese Kurve, um Leitungsverluste bei spezifischen Betriebsströmen genau zu bestimmen, was präziser ist als die Verwendung eines einzelnen typischen VF-Werts.

3.2 VR-IR-Kennlinie

Diese Kurve veranschaulicht den Sperrleckstrom (IR) in Abhängigkeit von der angelegten Sperrspannung (VR). Sie zeigt, wie der Leckstrom mit sowohl Sperrspannung als auch Sperrschichttemperatur zunimmt. Dies ist entscheidend für die Abschätzung der Verluste im Sperrzustand, insbesondere in Hochspannungsanwendungen.

3.3 VR-Ct-Kennlinie

Diese Grafik zeigt die Gesamtkapazität (Ct) der Diode gegenüber der Sperrspannung (VR). Die Sperrschichtkapazität ist hochgradig nichtlinear und nimmt mit steigender Sperrspannung deutlich ab (von 208 pF bei 1V auf 18 pF bei 400V). Diese nichtlineare Kapazität ist ein Schlüsselfaktor für die Berechnung des Schaltverhaltens und des QC-Parameters.

3.4 Maximaler Durchlassstrom vs. Gehäusetemperatur

Diese Entlastungskurve zeigt, wie der maximal zulässige Dauer-Durchlassstrom (IF) mit steigender Gehäusetemperatur (TC) abnimmt. Sie ist eine grundlegende Anleitung für das Kühlkörperdesign, um sicherzustellen, dass die Sperrschichttemperatur unter allen Betriebsbedingungen ihren Maximalwert nicht überschreitet.

3.5 Transiente thermische Impedanz

Diese Kurve stellt den transienten Wärmewiderstand (ZθJC) über der Pulsbreite dar. Sie ist entscheidend für die Bewertung des Sperrschichttemperaturanstiegs während kurzzeitiger Leistungsimpulse, wie sie bei Schaltvorgängen oder Stoßbedingungen auftreten. Die thermische Masse des Gehäuses bewirkt, dass der effektive Wärmewiderstand für sehr kurze Pulse niedriger ist.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseumriss und Abmessungen

Das Bauteil verwendet das industrieübliche TO-247-2L-Gehäuse. Wichtige Abmessungen aus der Umrisszeichnung sind eine Gesamtgehäuselänge von ca. 20,0 mm, eine Breite von 16,26 mm und eine Höhe von 4,7 mm (ohne Anschlüsse). Die Anschlüsse haben eine spezifische Dicke und Abstand, um Kompatibilität mit Standard-PCB-Layouts und Kühlkörperbefestigungslöchern zu gewährleisten.

4.2 Pinbelegung und Polaritätskennzeichnung

Das TO-247-2L-Gehäuse hat zwei Anschlüsse. Pin 1 ist als Kathode (K) identifiziert, und Pin 2 ist die Anode (A). Wichtig: Die Metalllasche oder das Gehäuse ist elektrisch mit der Kathode verbunden. Dies muss bei der Montage sorgfältig berücksichtigt werden, um eine ordnungsgemäße elektrische Isolierung zu gewährleisten, wenn der Kühlkörper nicht auf Kathodenpotential liegt. Ein empfohlenes PCB-Land Pattern (Pad-Layout) wird bereitgestellt, um zuverlässiges Löten und thermische Leistung bei Verwendung einer oberflächenmontierbaren Anschlussform zu gewährleisten.

5. Montage- und Einbaurichtlinien

Eine ordnungsgemäße Installation ist für Leistung und Zuverlässigkeit entscheidend.

• Montagedrehmoment:Das empfohlene Montagedrehmoment für die Befestigungsschraube (M3 oder 6-32) beträgt 8,8 N·cm (oder 8,8 lbf-in). Das Anwenden des korrekten Drehmoments gewährleistet einen optimalen thermischen Kontakt zwischen Gehäuse und Kühlkörper, ohne das Gehäuse zu beschädigen.
• Wärmeleitmaterial (TIM):Zwischen dem Diodengehäuse und dem Kühlkörper muss immer ein geeignetes Wärmeleitpaste oder -pad verwendet werden, um mikroskopische Luftspalte zu füllen und den Wärmewiderstand zu minimieren.
• Elektrische Isolierung:Da das Gehäuse mit der Kathode verbunden ist, ist ein elektrisch isolierendes, aber wärmeleitendes Pad (z.B. Glimmer, Silikonkautschuk mit Keramikfüllstoff) erforderlich, wenn der Kühlkörper auf einem anderen Potential liegt. Die Isolationsspannungsfestigkeit dieses Pads muss die Betriebsspannung des Systems überschreiten.
• Lagerbedingungen:Das Bauteil sollte in einem Temperaturbereich von -55°C bis +175°C in einer trockenen, nicht korrosiven Umgebung gelagert werden.

6. Anwendungsempfehlungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Diese SiC-Schottky-Diode ist ideal für mehrere wichtige leistungselektronische Schaltungen geeignet:

• Leistungsfaktorkorrektur (PFC):Verwendet in der Aufwärtswandlerstufe von Schaltnetzteilen (SMPS). Ihr schnelles Schalten und niedriges QC reduzieren die Schaltverluste bei hohen Frequenzen (oft 65kHz bis 150kHz) und verbessern den Wirkungsgrad der PFC-Stufe.
• Solarwechselrichter DC-AC-Stufe:Eingesetzt in der Wechselrichterbrücke oder als Freilaufdiode. Die hohe Spannungsfestigkeit und Effizienz tragen zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters bei, was für den Solarertrag entscheidend ist.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV):Verwendet sowohl im Gleichrichter/Ladegerät als auch in den Wechselrichterabschnitten. Die hohe Stoßstromfestigkeit (IFSM) hilft, Batterieladeströme und Ausgangslastwechsel zu bewältigen.
• Motorantriebswechselrichter:Fungiert als Freilaufdiode über IGBTs oder MOSFETs in der Ausgangsbrücke. Das Fehlen von Rückwärtserholungsladung eliminiert Rückwärtserholungsverluste und damit verbundene Spannungsspitzen, ermöglicht sanfteres Schalten und reduziert elektromagnetische Störungen (EMV).

6.2 Designüberlegungen

• Snubber-Schaltungen:Aufgrund des sehr schnellen Schaltens und im Wesentlichen keiner Rückwärtserholung können Snubber-Schaltungen zur Steuerung von di/dt oder dv/dt im Vergleich zu Silizium-PN-Dioden vereinfacht oder sogar unnötig sein. Allerdings kann durch das Layout induktive parasitäre Induktivität immer noch zu Spannungsüberschwingern führen und muss durch ein kompaktes PCB-Layout minimiert werden.
• Parallelbetrieb:Der negative Temperaturkoeffizient von VF macht diese Dioden von Natur aus für den Parallelbetrieb geeignet, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen. Wenn sich eine Diode erwärmt, sinkt ihre VF, wodurch sie mehr Strom aufnimmt, was die Stromaufteilung fördert anstatt zu thermischem Durchgehen. Dennoch wird eine sorgfältige Beachtung des symmetrischen Layouts und der thermischen Kopplung empfohlen.
• Kühlkörperauslegung:Verwenden Sie die Verlustleistung (berechnet aus VF und IR), RθJC und die Entlastungskurve, um den Kühlkörper genau zu dimensionieren. Das Ziel ist es, die Sperrschichttemperatur deutlich unter 175°C (z.B. 125-150°C) zu halten, um langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

7. Technischer Vergleich und Vorteile

Im Vergleich zu Standard-Silizium-Schnellerholungsdioden (FRD) oder sogar Silizium-PN-Dioden bietet diese SiC-Schottky-Diode deutliche Vorteile:

• Im Wesentlichen keine Rückwärtserholung:Die Schottky-Barriere ist ein Majoritätsträger-Bauteil, im Gegensatz zu PN-Übergängen, die Minoritätsträger-Bauteile sind. Dies eliminiert die gespeicherte Ladung und die damit verbundene Rückwärtserholungszeit (trr) und -strom (Irr). Dies ist der wichtigste Vorteil und führt zu drastisch geringeren Schaltverlusten.
• Höhere Betriebstemperatur:Die größere Bandlücke von Siliziumkarbid ermöglicht eine höhere maximale Sperrschichttemperatur (175°C gegenüber typisch 150°C für Silizium), was mehr Designspielraum bietet oder kleinere Kühlkörper erlaubt.
• Höhere Schaltfrequenz:Die Kombination aus niedrigem QC und keiner Rückwärtserholung ermöglicht einen effizienten Betrieb bei viel höheren Frequenzen. Dies ermöglicht die Verwendung kleinerer passiver Komponenten (Spulen, Kondensatoren, Transformatoren) und erhöht die Leistungsdichte.
• Niedrigere Flussspannung:Bei typischen Betriebsströmen haben SiC-Schottky-Dioden oft eine vergleichbare oder niedrigere VF als Hochspannungs-Silizium-FRDs, was die Leitungsverluste reduziert.
• Abwägung:Der primäre historische Kompromiss waren die Kosten, obwohl die Preise für SiC-Bauteile deutlich gesunken sind. Außerdem ist der Sperrleckstrom von Schottky-Dioden im Allgemeinen höher als der von PN-Dioden und steigt mit der Temperatur stärker an, was in sehr hochtemperaturkritischen Anwendungen eine Überlegung sein kann.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Was bedeutet \"im Wesentlichen keine Schaltverluste\" in der Praxis?

A1: Es bedeutet, dass der dominante Schaltverlustmechanismus in einer Diode – der Rückwärtserholungsverlust – vernachlässigbar ist. Verluste treten jedoch weiterhin durch das Laden und Entladen der Sperrschichtkapazität (bezogen auf QC) auf. Diese kapazitiven Verluste sind typischerweise viel kleiner als die Rückwärtserholungsverluste einer Siliziumdiode, insbesondere bei hohen Frequenzen.

F2: Wie wähle ich einen Kühlkörper für diese Diode aus?

A2: Berechnen Sie zunächst die Verlustleistung im ungünstigsten Fall: PD = (VF * IF_avg) + (VR * IR_avg). Verwenden Sie die VF- und IR-Werte bei Ihrer erwarteten Betriebssperrschichttemperatur. Bestimmen Sie dann Ihre Ziel-Maximalsperrschichttemperatur (z.B. 140°C). Der erforderliche Wärmewiderstand des Kühlkörpers (RθSA) kann ermittelt werden aus: RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS, wobei TA die Umgebungstemperatur und RθCS der Wärmewiderstand des Grenzflächenmaterials ist.

F3: Kann ich diese Diode direkt als Ersatz für eine Siliziumdiode in meiner bestehenden Schaltung verwenden?

A3: Nicht immer ohne Überprüfung. Während Pinbelegung und Gehäuse kompatibel sein mögen, kann das schnellere Schalten aufgrund von parasitären Schaltungsinduktivitäten zu höheren Spannungsspitzen führen. Die Gate-Ansteuerung oder Steuerung für den zugehörigen Schalttransistor muss möglicherweise angepasst werden. Die niedrigere Flussspannung kann auch das Schaltungsverhalten leicht verändern. Eine gründliche Designüberprüfung wird empfohlen.

F4: Warum ist das Gehäuse mit der Kathode verbunden?

A4: Dies ist bei Leistungsgehäusen üblich. Es ermöglicht, die große Metalllasche, die hervorragend für die Wärmeübertragung ist, als elektrische Verbindung zu nutzen. Dies reduziert die parasitäre Induktivität im Kathodenpfad, was für Hochgeschwindigkeitsschaltungen vorteilhaft ist. Es erfordert eine sorgfältige Isolierung, wenn der Kühlkörper nicht auf Kathodenpotential liegt.

9. Praktische Design-Fallstudie

Szenario: Design einer 1,5kW Aufwärts-PFC-Stufe.

Angenommen wird ein Eingangsspannungsbereich von 85-265VAC, eine Ausgangsspannung von 400VDC und eine Schaltfrequenz von 100kHz. Die Aufwärtsdiode muss 400V sperren und den Induktorstrom führen. Berechnungen zeigen einen Spitzenstrom von etwa 10A und einen mittleren Diodenstrom von ungefähr 4A.



Eine Silizium-Ultrafast-Diode mit einem trr von 50ns und QC von 30nC würde bei 100kHz signifikante Rückwärtserholungsverluste verursachen. Durch die Auswahl dieser SiC-Schottky-Diode (QC=12nC, kein trr) werden die Schaltverluste in der Diode auf nur die kapazitiven Verluste reduziert. Dies verbessert den Wirkungsgrad direkt um 0,5-1,5%, reduziert die Wärmeentwicklung und kann einen kleineren Kühlkörper ermöglichen oder den Betrieb bei einer höheren Umgebungstemperatur. Das Design profitiert auch von reduzierter EMV aufgrund des Fehlens von Rückwärtserholungsstromspitzen.

10. Funktionsprinzip

Eine Schottky-Diode wird durch einen Metall-Halbleiter-Übergang gebildet, im Gegensatz zu einer Standard-PN-Diode, die einen Halbleiter-Halbleiter-Übergang verwendet. Bei einer SiC-Schottky-Diode wird ein Metall (z.B. Titan) auf Siliziumkarbid aufgebracht. Dies erzeugt eine Schottky-Barriere, die den Stromfluss in Durchlassrichtung bei einer kleinen angelegten Spannung (die niedrige VF) frei ermöglicht. In Sperrrichtung blockiert die Barriere den Stromfluss. Da die Leitung nur auf Majoritätsträgern (Elektronen in einem N-Typ SiC-Substrat) beruht, gibt es keine Injektion und Speicherung von Minoritätsträgern. Folglich gibt es bei Spannungsumkehr keine gespeicherte Ladung, die entfernt werden muss, was zu dem nahezu sofortigen Ausschaltverhalten und dem Fehlen von Rückwärtserholung führt.

11. Technologietrends

Siliziumkarbid-Leistungsbauteile, einschließlich Schottky-Dioden und MOSFETs, repräsentieren einen Haupttrend in der Leistungselektronik hin zu höherer Effizienz, Frequenz und Leistungsdichte. Der Markt bewegt sich von 600-650V-Bauteilen (im Wettbewerb mit Silizium-Superjunction-MOSFETs und IGBTs) zu 1200V- und 1700V-Typen für industrielle und automotive Anwendungen. Die Integration von SiC-Dioden mit SiC-MOSFETs in Modulen wird für komplette Hochleistungs-Leistungsstufen immer üblicher. Kontinuierliche Verbesserungen der SiC-Materialqualität und Fertigungsprozesse senken die Kosten und verbessern die Bauteilzuverlässigkeit, was SiC-Technologie zur bevorzugten Wahl für neue Designs in mittleren und hohen Leistungsanwendungen macht, wo Leistung entscheidend ist.