TO-247-2L 650V SiC-Schottky-Diode Datenblatt - 10A Durchlassstrom - 1,48V Durchlassspannung - 175°C Sperrschichttemperatur - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt detailliert die Spezifikationen einer leistungsstarken Siliziumkarbid (SiC) Schottky-Barrieren-Diode (SBD) im TO-247-2L-Gehäuse. Das Bauteil ist für leistungselektronische Anwendungen entwickelt, die hohen Wirkungsgrad, Hochfrequenzbetrieb und überlegene thermische Leistung erfordern. Seine Kernfunktion ist die Bereitstellung eines unidirektionalen Stromflusses mit minimalen Schaltverlusten und Rückwärtserholungsladung, ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Silizium-PN-Übergangsdioden.

Die primäre Positionierung dieser Komponente liegt in fortschrittlichen Leistungswandlersystemen, bei denen Wirkungsgrad und Leistungsdichte entscheidend sind. Ihre Kernvorteile ergeben sich aus den grundlegenden Eigenschaften von Siliziumkarbid, das im Vergleich zu siliziumbasierten Bauteilen einen Betrieb bei höheren Temperaturen, Spannungen und Schaltfrequenzen ermöglicht. Die Zielmärkte umfassen industrielle Netzteile, erneuerbare Energiesysteme und Motorantriebsanwendungen, wo sich diese Eigenschaften direkt in Vorteile auf Systemebene übersetzen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Diese sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Wiederholte Spitzensperrspannung (VRRM):650V. Dies ist die maximale momentane Sperrspannung, die wiederholt angelegt werden kann.
• Dauer-Durchlassstrom (IF):10A. Dies ist der maximale Gleichstrom, den die Diode kontinuierlich führen kann, begrenzt durch die maximale Sperrschichttemperatur und den thermischen Widerstand.
• Nicht-wiederholbarer Stoßstrom (IFSM):30A. Diese Angabe zeigt die Fähigkeit der Diode, ein einzelnes, hochstromstarkes Überlastereignis (10ms Sinus-Halbwelle) ohne Ausfall zu überstehen, was für die Handhabung von Einschaltströmen oder Fehlerzuständen entscheidend ist.
• Sperrschichttemperatur (TJ):175°C. Die maximal zulässige Temperatur des Halbleiterübergangs selbst.
• Lagertemperatur (TSTG):-55°C bis +175°C.

2.2 Elektrische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter festgelegten Testbedingungen.

• Durchlassspannung (VF):Typischerweise 1,48V bei IF=10A, TJ=25°C, maximal 1,85V. Diese niedrige VF ist ein Hauptmerkmal von SiC-Schottky-Dioden und führt zu reduzierten Durchlassverlusten. Zu beachten ist, dass VF mit der Temperatur ansteigt und bei TJ=175°C etwa 1,9V erreicht.
• Sperrstrom (IR):Typischerweise 2µA bei VR=520V, TJ=25°C, maximal 60µA. Der Leckstrom steigt mit der Temperatur, eine Eigenschaft, die in Hochtemperaturdesigns berücksichtigt werden muss.
• Gesamte kapazitive Ladung (QC):15nC (typisch) bei VR=400V. Dies ist ein kritischer Parameter für die Berechnung der Schaltverluste. Der niedrige QC-Wert bedeutet, dass sehr wenig Energie in der Sperrschichtkapazität der Diode gespeichert wird, die in jedem Schaltzyklus abgeführt werden muss, was zu den genannten "praktisch keinen Schaltverlusten" führt.
• In der Kapazität gespeicherte Energie (EC):2,2µJ (typisch) bei VR=400V. Dies ist die bei der angegebenen Spannung in der Kapazität der Diode gespeicherte Energie, direkt abhängig von QC.

2.3 Thermische Kenngrößen

Das thermische Management ist für einen zuverlässigen Betrieb und das Erreichen der spezifizierten Leistung von größter Bedeutung.

• Thermischer Widerstand, Sperrschicht-Gehäuse (RθJC):1,7°C/W (typisch). Dieser niedrige Wert zeigt eine ausgezeichnete Wärmeübertragung vom Halbleiterchip zum Bauteilgehäuse an, sodass Wärme effizient über einen am Gehäuse angebrachten Kühlkörper abgeführt werden kann. Die Gesamtverlustleistung (PD) von 88W bei TC=25°C leitet sich aus diesem Parameter und der maximalen Sperrschichttemperatur ab.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere für Entwicklungsingenieure wesentliche Kennlinien.

3.1 VF-IF-Kennlinie

Diese Grafik stellt die Durchlassspannung über dem Durchlassstrom dar, typischerweise bei mehreren Sperrschichttemperaturen (z.B. 25°C und 175°C). Sie zeigt visuell den niedrigen Durchlassspannungsabfall und seinen positiven Temperaturkoeffizienten. Der positive Temperaturkoeffizient ist eine vorteilhafte Eigenschaft für den Parallelbetrieb, da er die Stromaufteilung fördert und thermisches Durchgehen verhindert.

3.2 VR-IR-Kennlinie

Diese Kurve zeigt die Beziehung zwischen Sperrspannung und Sperrstrom, ebenfalls bei verschiedenen Temperaturen. Sie verdeutlicht, wie der Leckstrom relativ niedrig bleibt, bis sich die Durchbruchsregion nähert, und wie er exponentiell mit der Temperatur ansteigt.

3.3 VR-Ct-Kennlinie

Diese Grafik veranschaulicht, wie die Gesamtkapazität (Ct) der Diode mit zunehmender Sperrspannung (VR) abnimmt. Diese nichtlineare Kapazität ist ein Schlüsselfaktor für das Hochfrequenz-Schaltverhalten.

3.4 Maximaler Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Gehäusetemperatur

Diese Entlastungskurve zeigt, wie der maximal zulässige Dauer-Durchlassstrom (IF) mit steigender Gehäusetemperatur (TC) abnimmt. Sie ist ein entscheidendes Werkzeug, um die erforderliche Kühlkörperleistung für einen gegebenen Anwendungsstrom zu bestimmen.

3.5 Transiente thermische Impedanz

Die Kurve der transienten thermischen Impedanz über der Pulsbreite (ZθJC vs. PW) ist entscheidend für die Bewertung der thermischen Leistung unter gepulsten Strombedingungen. Sie zeigt, dass für sehr kurze Pulse der effektive thermische Widerstand niedriger ist als der stationäre RθJC, was höhere Spitzenströme erlaubt.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Anschlussbelegung und Polarität

Das Bauteil verwendet ein TO-247-2L-Gehäuse mit zwei Anschlüssen. Pin 1 ist die Kathode (K) und Pin 2 ist die Anode (A). Wichtig: Der Metallanschlussfahne oder das Gehäuse ist elektrisch mit der Kathode verbunden. Dies muss bei der Montage sorgfältig berücksichtigt werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden, da das Gehäuse vom Kühlkörper isoliert werden muss, es sei denn, der Kühlkörper liegt auf Kathodenpotential.

4.2 Gehäuseabmessungen und Umriss

Detaillierte mechanische Zeichnungen mit allen kritischen Abmessungen in Millimetern werden bereitgestellt. Dies umfasst Gesamtlänge, -breite, -höhe, Anschlussabstand, Anschlussdurchmesser und die Abmessungen der Befestigungsbohrung in der Fahne. Die Einhaltung dieser Abmessungen ist für ein korrektes Leiterplatten-Layout und die mechanische Montage erforderlich.

4.3 Empfohlene Leiterplattenkontaktflächen

Ein empfohlenes Footprint-Layout für die Oberflächenmontage der Anschlüsse (nach dem Biegen) ist enthalten, das Kontaktflächengröße, -form und -abstand spezifiziert, um zuverlässiges Löten und mechanische Festigkeit zu gewährleisten.

5. Montage- und Handhabungsrichtlinien

5.1 Montagedrehmoment

Das spezifizierte Montagedrehmoment für die Schraube, mit der das Bauteil an einem Kühlkörper befestigt wird, beträgt 8,8 N·m (oder äquivalent in lbf-in) für eine M3- oder 6-32-Schraube. Das Anwenden des korrekten Drehmoments gewährleistet optimalen thermischen Kontakt, ohne das Gehäuse zu beschädigen.

5.2 Lagerbedingungen

Bauteile sollten innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -55°C bis +175°C in einer trockenen, nicht korrosiven Umgebung gelagert werden. Während der Handhabung sollten Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) beachtet werden, da die Schottky-Barriere empfindlich gegenüber elektrostatischer Beschädigung ist.

6. Anwendungsempfehlungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

• Leistungsfaktorkorrektur (PFC):Verwendung als Boost-Diode in PFC-Schaltungen mit kontinuierlichem Leitungsbetrieb (CCM). Ihr schnelles Schalten und niedriges QC minimieren die Abschaltverluste, ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und reduzieren so die Größe der magnetischen Komponenten.
• Solarwechselrichter:Eingesetzt in der Boost-Stufe oder innerhalb der Wechselrichterbrücke. Der hohe Wirkungsgrad reduziert den Leistungsverlust, und die Hochtemperaturfähigkeit verbessert die Zuverlässigkeit in Außenumgebungen.
• Motorsteuerungen:Verwendung in den Freilauf- oder Clamp-Dioden-Positionen in Wechselrichterbrücken für Motorantriebe. Das Fehlen eines Rückwärtserholungsstroms reduziert Spannungsspitzen und EMV und verbessert den Wirkungsgrad des Antriebs.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) & Rechenzentrumsnetzteile:Ähnliche Vorteile gelten für die hochdichten, hocheffizienten Leistungswandlerstufen dieser Systeme.

6.2 Kritische Designaspekte

• Kühlung:Aufgrund der hohen Verlustleistungsfähigkeit ist eine ordnungsgemäße Kühlung für den Betrieb bei hohen Strömen zwingend erforderlich. Der vom Kühlkörper bereitgestellte thermische Widerstand von Gehäuse zu Umgebung (RθCA) muss basierend auf der maximalen Umgebungstemperatur, dem Leistungsverlust und der gewünschten Sperrschichttemperaturreserve berechnet werden.
• Parallelschaltung von Bauteilen:Der positive Temperaturkoeffizient von VF erleichtert die Stromaufteilung, wenn mehrere Dioden parallel geschaltet sind. Für eine optimale Aufteilung wird dennoch ein sorgfältiges Layout empfohlen, um symmetrische parasitäre Induktivität und Widerstand sicherzustellen.
• Snubber-Schaltungen:Obwohl die Diode praktisch keine Rückwärtserholung aufweist, können parasitäre Schaltungsinduktivitäten beim Abschalten dennoch zu Spannungsüberschwingern führen. In Anwendungen mit sehr hohem di/dt können Snubber-Schaltungen oder ein sorgfältiges Layout zur Minimierung der Schleifeninduktivität erforderlich sein.
• Gate-Ansteuerungsaspekte (für zugehörige Schalter):Das schnelle Schalten dieser Diode kann zu hohem di/dt und dv/dt führen, was Rauschen in Gate-Ansteuerschaltungen einkoppeln kann. Eine ordnungsgemäße Abschirmung und das Layout der Gate-Ansteuerung sind wichtig.

7. Technischer Vergleich und Vorteile

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

• Keine Rückwärtserholung:Die Schottky-Barriere ist ein Majoritätsträger-Bauteil, das die Minoritätsträger-Speicherzeit und den damit verbundenen Rückwärtserholungsstrom (Qrr) und die Verluste von PN-Übergangsdioden eliminiert. Dies ist ihr bedeutendster Vorteil.
• Höhere Betriebstemperatur:SiC-Material ermöglicht eine maximale Sperrschichttemperatur von 175°C, höher als bei typischen Siliziumdioden, und erlaubt den Betrieb in raueren Umgebungen oder mit kleineren Kühlkörpern.
• Niedrigerer Durchlassspannungsabfall:Bei typischen Betriebsströmen ist die VF niedriger als bei vergleichbaren Silizium-FRDs mit gleicher Spannungsfestigkeit, was die Durchlassverluste reduziert.
• Höhere Schaltfrequenzfähigkeit:Die Kombination aus niedrigem QC und keinem Qrr ermöglicht einen effizienten Betrieb bei viel höheren Frequenzen, was direkt zu kleineren passiven Komponenten (Spulen, Kondensatoren) und erhöhter Leistungsdichte führt.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

8.1 Was bedeutet "praktisch keine Schaltverluste"?

Es bezieht sich auf den vernachlässigbaren Rückwärtserholungsverlust. Während es immer noch kapazitive Schaltverluste (bezogen auf QC und EC) gibt, bedeutet das vollständige Fehlen des viel größeren Rückwärtserholungsverlusts von Siliziumdioden, dass der gesamte Schaltverlust dramatisch niedriger ist, oft um eine Größenordnung.

8.2 Warum ist das Gehäuse mit der Kathode verbunden?

Dies ist ein gängiges Design in Leistungsgehäusen, um die interne Bondverbindung zu vereinfachen und die thermische Leistung zu verbessern. Es bedeutet, dass der Kühlkörper elektrisch vom Rest des Systems isoliert werden muss, es sei denn, er wird absichtlich auf Kathodenpotential gehalten. Isolierscheiben und Wärmeleitmaterial mit hoher dielektrischer Festigkeit sind erforderlich.

8.3 Wie berechne ich den Leistungsverlust in dieser Diode?

Der Gesamtleistungsverlust (PD) ist die Summe aus Durchlassverlust und Schaltverlust. Durchlassverlust = IF(MITTEL) * VF. Schaltverlust ≈ (1/2) * C * V^2 * f (für kapazitiven Verlust), wobei C die effektive Kapazität, V die Sperrspannung und f die Schaltfrequenz ist. Die Qrr-Verlustkomponente ist null.

8.4 Kann ich diese Diode direkt als Ersatz für eine Siliziumdiode verwenden?

Elektrisch, in Bezug auf Spannungs- und Strombelastbarkeit, oft ja. Das schnellere Schalten kann jedoch parasitäre Schaltungselemente offenlegen und potenziell höhere Spannungsspitzen verursachen. Die Gate-Ansteuerung des zugehörigen Schaltbauteils (z.B. MOSFET) sollte auf Störfestigkeit überprüft werden. Das thermische Design sollte ebenfalls neu bewertet werden, da das Verlustprofil anders ist.

9. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario:Aufrüstung einer 2kW PFC-Boost-Stufe mit kontinuierlichem Leitungsbetrieb (CCM) von einer Silizium-Ultrafast-Diode auf diese SiC-Schottky-Diode. Das ursprüngliche Design arbeitet bei 100kHz.

Analyse:Die Siliziumdiode hatte einen Qrr von 50nC und eine VF von 1,8V. Der Schaltverlust war erheblich. Durch den Ersatz mit der SiC-Diode (QC=15nC, VF=1,48V) werden folgende Verbesserungen erzielt:

1. Reduzierung der Schaltverluste:Der Qrr-Verlust entfällt. Der kapazitive Schaltverlust wird aufgrund des niedrigeren QC reduziert.
2. Reduzierung der Durchlassverluste:Die niedrigere VF reduziert den Durchlassverlust bei gleichem Mittelstrom um etwa 18%.
3. Erhöhtes Frequenzpotenzial:Der dramatisch niedrigere Gesamtschaltverlust ermöglicht es dem Entwickler,die Schaltfrequenz zu erhöhenauf 200-300kHz. Dies reduziert die Größe und das Gewicht der Boost-Induktivität und der EMV-Filterkomponenten um fast 50% und erreicht direkt eine "erhöhte Leistungsdichte".
4. Thermisches Management:Die Gesamtverlustleistung in der Diode ist niedriger. Kombiniert mit ihrer höheren Sperrschichttemperaturfestigkeit kann dies eine Verkleinerung des Kühlkörpers ("Reduzierung des Kühlkörperbedarfs") ermöglichen und so weitere Kosten und Platz sparen.

Ergebnis:Der Systemwirkungsgrad verbessert sich bei Volllast um 1-2%, die Leistungsdichte steigt und die Systemkosten können aufgrund kleinerer magnetischer Komponenten und Kühlung sinken.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Schottky-Diode wird durch einen Metall-Halbleiter-Übergang gebildet, anders als der P-N-Halbleiterübergang einer Standarddiode. In dieser SiC-Schottky-Diode wird ein Metallkontakt direkt an n-dotiertes Siliziumkarbid hergestellt. Dies erzeugt eine Schottky-Barriere, die den Strom leicht in Durchlassrichtung fließen lässt, wenn eine positive Vorspannung relativ zum Halbleiter (Kathode) an das Metall (Anode) angelegt wird.

Der entscheidende operative Unterschied liegt in der Rückwärtserholung. Bei einer PN-Diode erfordert das Abschalten die Entfernung gespeicherter Minoritätsträger (ein Prozess namens Rückwärtserholung), der Zeit benötigt und einen signifikanten Rückstromimpuls erzeugt. In einer Schottky-Diode wird der Strom nur von Majoritätsträgern (Elektronen in n-dotiertem SiC) getragen. Wenn die Spannung umgekehrt wird, werden diese Träger fast augenblicklich abgezogen, was zu keiner Minoritätsträger-Speicherzeit und somit zu "keiner Rückwärtserholung" führt. Dieses grundlegende Prinzip ermöglicht das Hochgeschwindigkeitsschalten und die niedrigen Schaltverluste.

11. Technologietrends

Siliziumkarbid-Leistungsbauteile stellen einen bedeutenden Trend in der Leistungselektronik dar und ermöglichen den Übergang von traditionellen siliziumbasierten Komponenten. Die Markttreiber sind das globale Bestreben nach höherer Energieeffizienz, erhöhter Leistungsdichte und der Elektrifizierung von Transport und Industrie.

Die Entwicklung von SiC-Schottky-Dioden konzentriert sich auf mehrere Schlüsselbereiche: weitere Reduzierung des spezifischen Durchlasswiderstands (was zu niedrigerer VF führt), Verbesserung der Zuverlässigkeit und Stabilität der Schottky-Metall-Halbleiter-Grenzfläche bei hohen Temperaturen, Erhöhung der Spannungsfestigkeit auf 1,2kV, 1,7kV und darüber hinaus für Mittelspannungsanwendungen und Reduzierung der Bauteilkapazität (Coss, QC) für Schaltfrequenzen im MHz-Bereich. Integration ist ein weiterer Trend, bei dem SiC-Schottky-Dioden mit SiC-MOSFETs in Modulen zusammengepackt werden, um hocheffiziente, schnell schaltende Leistungsstufen zu schaffen. Mit steigenden Produktionsmengen und sinkenden Kosten bewegt sich die SiC-Technologie stetig von Premium-Anwendungen in Mainstream-Leistungswandlerprodukte.