TO-247-2L SiC-Schottky-Diode Datenblatt - 650V, 4A, 1,4V Durchlassspannung - Gehäuseabmessungen 15,6x10,0x4,5mm - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt detailliert die Spezifikationen einer leistungsstarken Siliziumkarbid (SiC) Schottky-Barrier-Diode (SBD) im TO-247-2L-Gehäuse. Die Bauteile sind für Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungswandlungsanwendungen entwickelt, bei denen Effizienz, Wärmemanagement und Schaltgeschwindigkeit entscheidend sind. Durch die Nutzung der SiC-Technologie bietet diese Diode erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen siliziumbasierten Pendants, insbesondere bei der Reduzierung von Schaltverlusten und der Ermöglichung höherer Betriebsfrequenzen.

Die Kernfunktion dieses Bauteils ist die Bereitstellung eines unidirektionalen Stromflusses mit minimalem Spannungsabfall und nahezu null Rückwärtserholungsladung. Ihre Hauptrolle liegt in Schaltungen, die schnelles Schalten und hohe Effizienz erfordern, wie z.B. Schaltnetzteile (SMPS), Wechselrichter und Motorantriebe. Das grundlegende Funktionsprinzip basiert auf dem Metall-Halbleiter-Übergang einer Schottky-Barriere, die bei der Herstellung mit Siliziumkarbid eine hohe Durchbruchspannung bei gleichzeitig niedriger Durchlassspannung und hervorragender Hochtemperaturleistung ermöglicht.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Elektrische Kenngrößen

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

• Maximale periodische Spitzensperrspannung (VRRM):650V. Dies ist die maximale momentane Sperrspannung, die die Diode wiederholt aushalten kann. Sie definiert die Spannungsfestigkeit des Bauteils in Anwendungen wie Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Stufen, die aus einem gleichgerichteten 230VAC-Netz betrieben werden.
• Dauer-Durchlassstrom (IF):4A. Dies ist der maximale mittlere Durchlassstrom, den die Diode kontinuierlich führen kann, begrenzt durch ihre thermischen Eigenschaften. Der tatsächlich nutzbare Strom hängt von der Kühlung und der Umgebungstemperatur ab.
• Durchlassspannung (VF):Typischerweise 1,4V bei IF=4A und TJ=25°C, maximal 1,75V. Dieser Parameter ist entscheidend für die Berechnung der Leitungsverluste (Pcond = VF * IF). Die niedrige VF ist ein Hauptvorteil der SiC-Schottky-Technologie und trägt direkt zu einer höheren Systemeffizienz bei.
• Sperrstrom (IR):Maximal 25 µA bei VR=520V und TJ=25°C. Dieser niedrige Leckstrom minimiert die Verlustleistung im Sperrzustand.
• Gesamte kapazitive Ladung (QC):6,4 nC (typisch) bei VR=400V. Dies ist ein kritischer Parameter für Hochfrequenzschaltungen. Ein niedriger QC-Wert zeigt an, dass während jedes Schaltzyklus nur sehr wenig Ladung bewegt werden muss, was zu deutlich geringeren Schaltverlusten im Vergleich zu Silizium-PN-Dioden oder sogar SiC-MOSFET-Körperdioden führt.
• Kapazitiv gespeicherte Energie (EC):1 µJ (typisch) bei VR=400V. Diese Energie wird bei jedem Einschaltvorgang dissipiert und ist Teil der gesamten Schaltverlustberechnung.

2.2 Thermische Kenngrößen

Das Wärmemanagement ist entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb und das Erreichen der spezifizierten Leistung.

• Maximale Sperrschichttemperatur (TJ,max):175°C. Dies ist die absolute Maximaltemperatur, die der Halbleiterübergang erreichen darf. Ein Betrieb nahe dieser Grenze verringert die Lebensdauer und Zuverlässigkeit.
• Thermischer Widerstand, Sperrschicht-Gehäuse (RθJC):4,5 °C/W (typisch). Dieser niedrige thermische Widerstand zeigt einen effizienten Wärmetransport vom Siliziumchip zum Gehäuse an. Es ist eine feste Eigenschaft des Bauteils. Der gesamte thermische Widerstand von der Sperrschicht zur Umgebung (RθJA) ist die Summe aus RθJC, dem Widerstand des Wärmeleitmaterials und dem Kühlkörperwiderstand. Ein niedriger RθJC ermöglicht kleinere Kühlkörper oder eine höhere Verlustleistung.
• Gesamtverlustleistung (PD):33 W bei TC=25°C. Diese Angabe leitet sich aus dem thermischen Widerstand und der maximalen Sperrschichttemperatur ab. In der Praxis nimmt die zulässige Verlustleistung mit steigender Gehäusetemperatur ab.

2.3 Maximale Grenzwerte und absolute Limits

Dies sind Belastungsgrenzen, die unter keinen Umständen überschritten werden dürfen, um dauerhafte Schäden zu vermeiden.

• Stoßstrom (nicht periodisch) (IFSM):19A für eine 10ms Sinus-Halbwelle bei TC=25°C. Diese Angabe definiert die Fähigkeit der Diode, kurzzeitige Überlastungen, wie z.B. Einschaltströme, zu bewältigen.
• Lagertemperatur (TSTG):-55°C bis +175°C.
• Montagedrehmoment:0,8 bis 8,8 N·m für eine M3- oder 6-32-Schraube. Das korrekte Drehmoment gewährleistet einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Gehäuselappen und dem Kühlkörper.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Diagramme, die für ein detailliertes Design unerlässlich sind.

3.1 VF-IF-Kennlinie

Dieses Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Durchlassspannungsabfall und Durchlassstrom bei verschiedenen Sperrschichttemperaturen. Wichtige Beobachtungen: VF hat einen negativen Temperaturkoeffizienten; sie nimmt mit steigender Temperatur leicht ab. Diese Eigenschaft hilft, thermisches Durchgehen zu verhindern, wenn mehrere Bauteile parallel geschaltet sind, da ein heißeres Bauteil etwas mehr Strom leitet und so die Stromaufteilung fördert.

3.2 VR-IR-Kennlinie

Diese Kurve stellt den Sperrstrom in Abhängigkeit von der Sperrspannung bei verschiedenen Temperaturen dar. Sie zeigt, dass der Leckstrom sowohl mit der Spannung als auch mit der Temperatur exponentiell ansteigt. Entwickler müssen sicherstellen, dass die Betriebssperrspannung einen ausreichenden Abstand unterhalb von VRRM bietet, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen.

3.3 Maximaler Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Gehäusetemperatur

Diese Entlastungskurve zeigt, wie der maximal zulässige Dauer-Durchlassstrom mit steigender Gehäusetemperatur abnimmt. Sie ist eine direkte Anwendung des thermischen Widerstands und der maximalen Sperrschichttemperatur. Um beispielsweise mit vollen 4A zu arbeiten, muss die Gehäusetemperatur bei oder unter 25°C gehalten werden, was typischerweise aktive Kühlung erfordert.

3.4 Transiente thermische Impedanz

Dieses Diagramm ist entscheidend für die Bewertung des thermischen Verhaltens während des gepulsten Betriebs. Es zeigt, dass für sehr kurze Pulsbreiten (z.B. weniger als 1ms) die effektive thermische Impedanz von der Sperrschicht zum Gehäuse viel niedriger ist als der stationäre RθJC. Dies ermöglicht es dem Bauteil, in Schaltanwendungen mit niedrigem Tastverhältnis eine höhere Spitzenleistung zu bewältigen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen (TO-247-2L)

Das Bauteil verwendet ein standardmäßiges TO-247-2L-Gehäuse mit zwei Anschlüssen. Wichtige Abmessungen sind:

• Gesamtlänge (D): 15,6 mm (typ)
• Gesamtbreite (E): 9,99 mm (typ)
• Gesamthöhe (A): 4,5 mm (typ)
• Anschlussabstand (e1): 5,08 mm (Basis)
• Bohrlochabstand (E3): 8,70 mm (Referenz)

Das Gehäuse verfügt über ein isoliertes Montageloch, d.h. der Metalllappen (Gehäuse) ist elektrisch mit der Kathode verbunden. Dies muss beim Kühlkörperdesign und der elektrischen Isolation berücksichtigt werden.

4.2 Pinbelegung und Polarität

Die Pinbelegung ist eindeutig definiert:

• Pin 1: Kathode (K)
• Pin 2: Anode (A)
• Gehäuse (Metalllappen): Verbunden mit Kathode (K)

Die korrekte Polarität ist entscheidend. Eine falsche Polung der Diode während der Montage führt beim Einschalten sofort zum Ausfall.

4.3 Empfohlenes Leiterplatten-Layout (Land Pattern)

Es wird ein empfohlenes Footprint für die Oberflächenmontage der Anschlüsse bereitgestellt, einschließlich Pad-Abmessungen und Abständen, um eine ordnungsgemäße Lötstellenbildung und mechanische Stabilität zu gewährleisten.

5. Anwendungsrichtlinien

5.1 Typische Anwendungsschaltungen

Diese Diode ist ideal für mehrere wichtige leistungselektronische Topologien geeignet:

• Leistungsfaktorkorrektur (PFC):Wird als Boost-Diode in PFC-Schaltungen mit kontinuierlichem Leitungsbetrieb (CCM) oder Übergangsbetrieb (TM) verwendet. Ihr schnelles Schalten und niedriges QC minimieren die Verluste bei hohen Schaltfrequenzen (z.B. 65-100 kHz) und verbessern so die Gesamteffizienz der Stromversorgung.
• Solarwechselrichter:Eingesetzt im DC-Zwischenkreis oder als Freilaufdioden in Wechselrichterbrücken. Die Hochtemperaturfähigkeit und Effizienz sind entscheidend für die Maximierung der Energieausbeute und Zuverlässigkeit in Außenumgebungen.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV):Wird in den Gleichrichter- und Wechselrichterstufen verwendet, um Effizienz und Leistungsdichte zu verbessern.
• Motorantriebe:Fungiert als Freilauf- oder Clamp-Diode in IGBT- oder MOSFET-Brücken, ermöglicht schnelleres Schalten und reduziert Spannungsspitzen.
• Rechenzentrum-Stromversorgungen:Hohe Effizienz führt direkt zu niedrigeren Betriebskosten und reduziertem Kühlbedarf in Hochdichte-Serverumgebungen.

5.2 Designüberlegungen und Best Practices

• Thermisches Design:Berechnen Sie den erforderlichen Kühlkörper stets basierend auf der ungünstigsten Verlustleistung (Pcond + Psw) und der maximalen Umgebungstemperatur. Verwenden Sie Wärmeleitmaterial (TIM) mit niedrigem thermischen Widerstand. Das Montagedrehmoment muss innerhalb des spezifizierten Bereichs liegen.
• Berechnung der Schaltverluste:Während die Rückwärtserholungsverluste vernachlässigbar sind, müssen die kapazitiven Schaltverluste (Psw_cap = 0,5 * C * V^2 * f) unter Verwendung der C-V-Kennlinie und der tatsächlichen Schaltfrequenz und -spannung berechnet werden.
• Parallelschaltung von Bauteilen:Der negative Temperaturkoeffizient von VF erleichtert die Stromaufteilung. Für eine optimale Balance sollten jedoch ein symmetrisches Leiterplattenlayout, gleich lange Leiterbahnen/Anschlüsse und eine gemeinsame Kühlung sichergestellt werden.
• Spannungsbelastungen:Fügen Sie bei Bedarf Snubber-Schaltungen oder RC-Dämpfungsglieder hinzu, um Spannungsüberschwinger zu kontrollieren, die durch parasitäre Induktivitäten im Schaltkreis verursacht werden, insbesondere bei hohen di/dt-Raten.
• Überlegungen zur Gate-Ansteuerung (für zugehörige Schalter):Das schnelle Schalten dieser Diode kann hohe dv/dt verursachen, die sich in Gate-Ansteuerschaltungen einkoppeln können. Ein ordnungsgemäßes Layout und Abschirmung sind wichtig.

6. Technischer Vergleich und Vorteile

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

• Praktisch keine Rückwärtserholung:Der Schottky-Barriere-Mechanismus hat keine Minoritätsträger-Speicherung, wodurch der Rückwärtserholungsstrom (Qrr) und die damit verbundenen Schaltverluste entfallen. Dies ist ihr bedeutendster Vorteil.
• Höhere Betriebstemperatur:SiC-Material kann zuverlässig bei Sperrschichttemperaturen bis zu 175°C arbeiten, verglichen mit 150°C oder weniger bei vielen Siliziumbauteilen.
• Höhere Schaltfrequenz:Das Fehlen von Qrr und das niedrige QC ermöglichen einen Betrieb bei Frequenzen weit über 100 kHz, was kleinere magnetische Komponenten (Spulen, Transformatoren) und eine höhere Leistungsdichte ermöglicht.
• Verbesserte Systemeffizienz:Geringere Leitungsverluste (durch niedrige VF) und nahezu null Schaltverluste steigern direkt die Wirkungsgrade des Wandlers über den gesamten Lastbereich.
• Reduzierter Kühlbedarf:Höhere Effizienz und bessere Hochtemperaturleistung können in einigen Anwendungen zu kleineren, kostengünstigeren Kühlkörpern oder sogar passiver Kühlung führen.

7. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

7.1 Kann diese Diode als Ersatz für eine Siliziumdiode in einem bestehenden Design verwendet werden?

Obwohl sie elektrisch funktionieren könnte, ist ein direkter Ersatz nicht immer einfach. Das schnellere Schalten kann aufgrund höherer dv/dt und di/dt zu erhöhter elektromagnetischer Störung (EMI) führen. Das Layout und Snubber-Netzwerke müssen möglicherweise neu bewertet werden. Darüber hinaus könnte die Gate-Ansteuerung des begleitenden Schaltbauteils (z.B. MOSFET) durch die reduzierten Schaltverluste und unterschiedliche Spannungs-/Stromverläufe beeinflusst werden.

7.2 Warum ist die Durchlassspannung (1,4V) höher als bei einer typischen Silizium-Schottky-Diode?

Silizium-Schottky-Dioden haben niedrigere Barrierenhöhen, was zu VF-Werten von etwa 0,3-0,7V führt, aber ihre Durchbruchspannung ist typischerweise auf unter 200V begrenzt. Die höhere Bandlücke von Siliziumkarbid ermöglicht viel höhere Durchbruchspannungen (in diesem Fall 650V), führt aber zu einem höheren eingebauten Potenzial und damit zu einem höheren Durchlassspannungsabfall. Dies ist ein grundlegender Kompromiss in der Materialphysik.

7.3 Wie schalte ich diese Dioden parallel, um einen höheren Strom zu erreichen?

Der negative Temperaturkoeffizient unterstützt die Stromaufteilung. Für beste Ergebnisse: 1) Montieren Sie die Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper, um die Gehäusetemperaturen auszugleichen. 2) Sorgen Sie für ein symmetrisches Leiterplattenlayout mit identischen Leiterbahnlängen und -impedanzen zu jeder Anode und Kathode. 3) Erwägen Sie in kritischen Anwendungen das Hinzufügen kleiner Reihenwiderstände oder magnetischer Kopplung für eine erzwungene Aufteilung, obwohl dies aufgrund der VF-Charakteristik oft nicht notwendig ist.

7.4 Welche Bedeutung hat der Parameter "Gesamte kapazitive Ladung (QC)"?

QC repräsentiert die gesamte Ladung, die mit der Sperrschichtkapazität der Diode verbunden ist, wenn sie auf eine bestimmte Spannung (hier 400V) aufgeladen wird. Während des Einschaltens des gegenüberliegenden Schalters in einer Schaltung (z.B. eines MOSFETs in einem Boost-Wandler) wird diese Ladung effektiv über den Schalter kurzgeschlossen, was einen Stromstoß und Energieverlust verursacht. Ein niedriges QC (6,4nC) bedeutet, dass dieser Verlust sehr gering ist, was zur Hochgeschwindigkeitsschaltfähigkeit der Diode beiträgt.

8. Branchentrends und zukünftige Entwicklungen

Siliziumkarbid-Leistungsbauteile, einschließlich Schottky-Dioden und MOSFETs, sind ein schnell wachsender Bereich in der Leistungselektronikindustrie. Der Trend wird durch das globale Bestreben nach höherer Energieeffizienz, kompakten Stromversorgungen und der Elektrifizierung des Verkehrs (Elektrofahrzeuge) vorangetrieben. Wichtige Entwicklungen sind:

• Höhere Spannungsfestigkeiten:Bauteile mit Nennspannungen von 1200V und 1700V werden immer häufiger und zielen auf Anwendungen wie Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge und industrielle Motorantriebe ab.
• Niedrigerer RθJC und verbesserte Gehäuse:Neue Gehäusetechnologien (z.B. Direct Bond Copper, verbesserte Chip-Bondierung) reduzieren den thermischen Widerstand und ermöglichen eine höhere Leistungsdichte.
• Integration:Es gibt einen Trend zur gemeinsamen Verpackung von SiC-Schottky-Dioden mit SiC-MOSFETs in Modulen, um optimierte Schaltzellen mit minimaler parasitärer Induktivität zu schaffen.
• Kostensenkung:Mit zunehmender Waferfertigung und sinkenden Defektdichten verringert sich der Kostenaufschlag von SiC gegenüber Silizium stetig, was seine Verbreitung über Premium-Anwendungen hinaus erweitert.

Das in diesem Datenblatt beschriebene Bauteil repräsentiert einen ausgereiften und weit verbreiteten Punkt in dieser Technologiekurve und bietet für eine breite Palette von hocheffizienten Leistungswandlungsaufgaben ein überzeugendes Gleichgewicht aus Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten.