Hoja de Datos del Diodo Schottky de SiC TO-220-2L - 650V - 6A - Tensión Directa 1.5V - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

Este documento detalla las especificaciones de un Diodo de Barrera Schottky (SBD) de alto rendimiento de Carburo de Silicio (SiC), alojado en un encapsulado TO-220-2L. El dispositivo está diseñado para aplicaciones de conversión de potencia de alto voltaje y alta frecuencia, donde la eficiencia, la gestión térmica y la velocidad de conmutación son críticas. La tecnología SiC ofrece ventajas significativas sobre los diodos de silicio tradicionales, principalmente debido a sus propiedades de material superiores.

La ventaja principal de este diodo radica en su construcción de barrera Schottky utilizando Carburo de Silicio. A diferencia de los diodos de unión PN convencionales, los diodos Schottky son dispositivos de portadores mayoritarios, lo que elimina fundamentalmente la carga de recuperación inversa (Qrr) y las pérdidas de conmutación asociadas. Esta implementación específica de SiC permite un alto voltaje de bloqueo de 650V manteniendo una caída de tensión directa (VF) relativamente baja y una carga capacitiva (Qc) mínima, lo que posibilita operar a frecuencias mucho más altas que las alternativas de silicio.

1.1 Características y Beneficios Clave

Las características principales de este diodo se traducen directamente en beneficios a nivel de sistema para los diseñadores:

• Baja Tensión Directa (VF = 1.5V típico a 6A):Reduce las pérdidas por conducción, mejorando directamente la eficiencia del sistema y generando menos calor durante la operación.
• Conmutación de Alta Velocidad sin Recuperación Inversa:Como dispositivo Schottky, esencialmente no tiene tiempo de recuperación inversa ni carga (Qrr). Esto minimiza las pérdidas por conmutación, permite operar a frecuencias más altas y reduce la interferencia electromagnética (EMI).
• Alta Capacidad de Corriente de Sobretensión (IFSM = 24A):Proporciona robustez frente a transitorios de corriente y condiciones de arranque comúnmente encontradas en fuentes de alimentación y accionamientos de motores.
• Alta Temperatura de Unión (TJ,máx = 175°C):Permite la operación en entornos de alta temperatura ambiente o permite el uso de disipadores de calor más pequeños, contribuyendo a reducir el tamaño y el costo del sistema.
• Operación en Paralelo:El coeficiente de temperatura positivo de la característica de tensión directa ayuda a prevenir la fuga térmica, haciendo más seguro conectar múltiples dispositivos en paralelo para aplicaciones de mayor corriente.
• Cumplimiento Ambiental:El dispositivo está libre de plomo, libre de halógenos y es compatible con RoHS, cumpliendo con las regulaciones ambientales modernas.

1.2 Aplicaciones Objetivo

Este diodo es ideal para una amplia gama de aplicaciones de electrónica de potencia, incluyendo pero no limitándose a:

• Circuitos de Corrección del Factor de Potencia (PFC) en Fuentes de Alimentación Conmutadas (SMPS):Su conmutación rápida y alto voltaje nominal lo hacen perfecto para las etapas de PFC tipo boost, mejorando la eficiencia general de la fuente de alimentación y la calidad de la potencia.
• Inversores Solares:Se utiliza en las posiciones de diodo de retorno libre o en el convertidor boost para maximizar la captación de energía y la eficiencia de conversión de los paneles fotovoltaicos.
• Fuentes de Alimentación Ininterrumpida (UPS):Mejora la eficiencia y la densidad de potencia de las etapas rectificadora e inversora.
• Accionamientos de Motores:Sirve como diodo de retorno libre o de sujeción en puentes inversores, permitiendo una conmutación más rápida y reduciendo las pérdidas en los variadores de frecuencia (VFD).
• Distribución de Energía en Centros de Datos:Contribuye a una mayor eficiencia en las fuentes de alimentación de servidores y unidades de distribución de energía, reduciendo los costos operativos y los requisitos de refrigeración.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona una interpretación detallada y objetiva de los parámetros eléctricos y térmicos clave especificados en la hoja de datos.

2.1 Valores Máximos y Límites Absolutos

Estos son los límites de estrés que no deben excederse bajo ninguna condición de operación para garantizar la fiabilidad y prevenir daños permanentes.

• Voltaje Inverso Repetitivo de Pico (VRRM): 650V- Este es el voltaje inverso instantáneo máximo que el diodo puede soportar repetidamente. Diseñar con un margen de derating suficiente (por ejemplo, un 20-30% por debajo de este valor para el voltaje máximo esperado del sistema) es crucial para la fiabilidad a largo plazo.
• Corriente Directa Continua (IF): 6A- Esta es la corriente continua máxima que el dispositivo puede transportar de forma continua cuando la temperatura de la cápsula (TC) es de 25°C. En aplicaciones reales, la temperatura de la cápsula será más alta, por lo que la corriente continua utilizable se reduce (derating) en función de la resistencia térmica y las condiciones ambientales (ver Características Térmicas).
• Corriente Directa de Sobretensión No Repetitiva (IFSM): 24A- Esta especificación indica la capacidad del diodo para manejar una única corriente de sobretensión de corta duración (onda sinusoidal de 10ms), como durante el arranque o condiciones de falla. Es un parámetro clave para la robustez.
• Temperatura de Unión (TJ): 175°C- La temperatura máxima permitida del propio chip semiconductor. Operar por encima de este límite puede causar fallo inmediato o degradación acelerada.

2.2 Características Eléctricas

Estos son los parámetros de rendimiento típicos bajo condiciones de prueba especificadas.

• Tensión Directa (VF): 1.5V (Típ.) a IF=6A, TJ=25°C- Este es un parámetro crítico para el cálculo de la pérdida por conducción (Ppérdida = VF * IF). Nótese que VF aumenta con la temperatura de unión (hasta 1.9V máx. a 175°C), lo que es un coeficiente de temperatura positivo. Esta característica ayuda a compartir la corriente cuando los dispositivos están en paralelo.
• Corriente de Fuga Inversa (IR): 0.8µA (Típ.) a VR=520V, TJ=25°C- Esta es la pequeña corriente que fluye cuando el diodo está polarizado en inversa. Aumenta significativamente con la temperatura (9µA típ. a 175°C), contribuyendo a las pérdidas en estado de bloqueo, especialmente a altas temperaturas.
• Carga Capacitiva Total (QC): 10nC (Típ.) a VR=400V- Este parámetro cuantifica la carga asociada a la capacitancia de unión del diodo. Durante la conmutación, esta carga debe suministrarse o eliminarse, contribuyendo a las pérdidas de conmutación. El bajo valor de QC es una ventaja clave de los diodos Schottky de SiC, permitiendo la operación a alta frecuencia.
• Energía Almacenada en la Capacitancia (EC): 1.5µJ (Típ.) a VR=400V- Representa la energía almacenada en la capacitancia del diodo a un voltaje inverso dado (EC = 0.5 * C * V^2). Esta energía se disipa durante cada ciclo de conmutación, contribuyendo a las pérdidas.

2.3 Características Térmicas

La gestión térmica es primordial para una operación fiable y para alcanzar la corriente nominal.

• Resistencia Térmica, Unión-Cápsula (RθJC): 2.1°C/W (Típ.)- Esta es la resistencia al flujo de calor desde la unión semiconductor hasta la cápsula exterior del encapsulado TO-220. Un valor más bajo indica una mejor transferencia de calor desde el chip. Este parámetro se utiliza para calcular el aumento de temperatura de la unión por encima de la temperatura de la cápsula: ΔTJ = PD * RθJC, donde PD es la disipación de potencia.
• Disipación de Potencia Total (PD): 71W a TC=25°C- Esta es la potencia máxima que el dispositivo puede disipar cuando la cápsula se mantiene a 25°C. En la práctica, este es un límite teórico utilizado para calcular el derating. La disipación de potencia máxima real está determinada por la temperatura máxima de unión (175°C), la resistencia térmica y la temperatura del disipador/ambiente.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

Los gráficos de rendimiento típicos proporcionan una visión visual del comportamiento del dispositivo bajo diversas condiciones de operación.

3.1 Características VF-IF

Este gráfico muestra la relación entre la tensión directa y la corriente directa a diferentes temperaturas de unión. Observaciones clave: La curva es exponencial a corrientes muy bajas y se vuelve más lineal a corrientes más altas. El coeficiente de temperatura positivo es evidente, ya que la curva se desplaza hacia arriba para temperaturas más altas. Este gráfico es esencial para calcular las pérdidas por conducción precisas en puntos de operación específicos.

3.2 Características VR-IR

Este gráfico ilustra la corriente de fuga inversa en función del voltaje inverso, típicamente a múltiples temperaturas. Demuestra cómo la corriente de fuga permanece relativamente baja hasta acercarse a la región de ruptura y cómo aumenta exponencialmente con la temperatura. Esta información es vital para estimar las pérdidas en estado de bloqueo en aplicaciones de alta temperatura.

3.3 Características VR-Ct

Esta curva muestra la capacitancia total del diodo (Ct) frente al voltaje inverso (VR). La capacitancia disminuye de forma no lineal a medida que aumenta el voltaje inverso (debido al ensanchamiento de la región de agotamiento). Esta capacitancia variable afecta la dinámica de conmutación y el parámetro QC.

3.4 Características de Ip Máx. – TC

Esta curva de derating muestra cómo la corriente directa continua máxima permitida (IF) disminuye a medida que aumenta la temperatura de la cápsula (TC). Es una aplicación directa de los límites térmicos: para mantener la unión por debajo de 175°C, se puede pasar menos corriente a medida que la cápsula se calienta. Esta es la guía principal para la selección del disipador de calor.

3.5 Impedancia Térmica Transitoria

Este gráfico representa la resistencia térmica transitoria (ZθJC) frente al ancho de pulso. Es crucial para evaluar el aumento de temperatura durante pulsos de corriente cortos o eventos de conmutación repetitivos. La masa térmica del encapsulado hace que la resistencia efectiva sea menor para pulsos muy cortos que la RθJC en estado estacionario.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Contorno y Dimensiones del Encapsulado

El dispositivo utiliza el encapsulado estándar de la industria TO-220-2L. El dibujo dimensional detallado proporciona valores mínimos, típicos y máximos para todas las características críticas, incluida la altura total (A: 4.5mm típ.), la longitud de las patillas (L: 13.18mm típ.) y la separación de los agujeros de montaje (D1: 9.05mm típ.). El cumplimiento de estas dimensiones es necesario para un diseño de PCB y montaje mecánico adecuados.

4.2 Configuración de Pines y Polaridad

El encapsulado TO-220-2L tiene dos patillas:

1. Pin 1: Cátodo (K).

2. Pin 2: Ánodo (A).

Además, la pestaña metálica (cápsula) del encapsulado está conectada eléctricamente al Cátodo. Esta es una consideración crítica de seguridad y diseño. La pestaña debe estar aislada de otros circuitos (por ejemplo, usando una arandela y un manguito aislantes) a menos que el común del circuito también sea el potencial del cátodo.

4.3 Diseño Recomendado de Pads en PCB

Se proporciona una huella sugerida para el montaje superficial de las patillas conformadas. Este diseño asegura una formación adecuada de la soldadura, resistencia mecánica y alivio térmico durante los procesos de soldadura por ola o por reflujo.

5. Pautas de Montaje y Manipulación

5.1 Par de Apriete para Montaje

El par de apriete especificado para el tornillo utilizado para fijar el encapsulado a un disipador de calor es de 8.8 N·m (o equivalente en lbf·in) para un tornillo M3 o 6-32. Aplicar el par correcto es esencial: un par insuficiente conduce a una alta resistencia térmica, mientras que un par excesivo puede dañar el encapsulado o la PCB.

5.2 Interfaz Térmica

Para minimizar la resistencia térmica entre la cápsula del dispositivo y el disipador de calor, se debe utilizar una capa fina de material de interfaz térmica (TIM), como grasa, almohadilla de separación o material de cambio de fase. El TIM llena los huecos microscópicos de aire, mejorando significativamente la transferencia de calor.

5.3 Condiciones de Almacenamiento

El dispositivo debe almacenarse dentro del rango de temperatura de almacenamiento especificado de -55°C a +175°C en un ambiente seco y no corrosivo. La información del Nivel de Sensibilidad a la Humedad (MSL), si es aplicable para las patillas, debe consultarse al fabricante para una manipulación adecuada antes de la soldadura.

6. Consideraciones de Diseño para la Aplicación

6.1 Circuitos Snubber

Aunque los diodos Schottky de SiC tienen una recuperación inversa despreciable, su capacitancia de unión aún puede interactuar con las parásitas del circuito (inductancia parásita) para causar sobreoscilación de voltaje y oscilaciones durante el apagado. Puede ser necesaria una simple red snubber RC en paralelo con el diodo para amortiguar estas oscilaciones y reducir la EMI, especialmente en circuitos con alta di/dt.

6.2 Consideraciones de Excitación de Puerta para Interruptores Complementarios

Cuando este diodo se utiliza como diodo de retorno libre o diodo boost con un MOSFET o IGBT, su conmutación rápida puede verse comprometida por un encendido lento del interruptor principal. Garantizar un diseño de baja inductancia y un excitador de puerta potente y rápido para el interruptor activo es esencial para aprovechar al máximo la velocidad del diodo y minimizar la conducción del diodo del cuerpo del MOSFET.

6.3 Operación en Paralelo

El coeficiente de temperatura positivo de VF facilita el reparto de corriente en configuraciones paralelas. Sin embargo, para un equilibrio de corriente dinámico y estático óptimo, el diseño simétrico es obligatorio. Esto incluye longitudes de traza e impedancias idénticas para el ánodo y cátodo de cada diodo, y montarlos en un disipador de calor común para igualar las temperaturas.

7. Comparación Técnica y Ventajas

En comparación con los diodos de recuperación rápida de silicio estándar (FRD) o incluso con los diodos del cuerpo de los MOSFET de carburo de silicio, este diodo Schottky de SiC ofrece ventajas distintivas:

• vs. FRD de Silicio:La diferencia más significativa es la ausencia de carga de recuperación inversa (Qrr). Un FRD de silicio tiene una Qrr sustancial, causando grandes picos de corriente durante la conmutación, lo que conduce a altas pérdidas de conmutación, mayor estrés en el interruptor principal y mayor EMI. El Schottky de SiC elimina esto, permitiendo una mayor eficiencia y frecuencia.
• vs. Diodos PN de Silicio:Más allá de la recuperación, el dispositivo de SiC típicamente tiene una tensión directa más baja a altas temperaturas y una temperatura máxima de unión mucho más alta (175°C frente a 150°C para muchas piezas de silicio), permitiendo un diseño térmico más compacto.
• vs. Diodos Schottky de Silicio de Bajo Voltaje:Los diodos Schottky de silicio tradicionales están limitados a voltajes de bloqueo por debajo de unos 200V debido a la alta corriente de fuga. Las propiedades del material SiC permiten que el diseño de barrera Schottky se extienda a 650V y más allá manteniendo un excelente rendimiento de conmutación y conducción.

8. Preguntas Frecuentes (FAQs)

8.1 ¿Requiere este diodo un snubber de recuperación inversa?

No, no requiere un snubber para gestionar las pérdidas por recuperación inversa, ya que esencialmente no tiene Qrr. Sin embargo, un snubber RC aún podría ser beneficioso para amortiguar las oscilaciones de voltaje causadas por la interacción de su capacitancia de unión con la inductancia parásita del circuito.

8.2 ¿Cómo calculo la disipación de potencia?

La disipación de potencia tiene dos componentes principales: pérdida por conducción y pérdida de conmutación capacitiva.

Pérdida por Conducción: P_cond = VF * IF * Ciclo_de_Trabajo (donde VF se toma a la corriente de operación y temperatura de unión).

Pérdida de Conmutación Capacitiva: P_sw_cap = 0.5 * C * V^2 * f_sw (o usar el valor EC proporcionado). Dado que la pérdida por Qrr es cero, no se incluye. La PD total es la suma de estas, que se utiliza con la resistencia térmica para calcular el aumento de temperatura de la unión.

8.3 ¿Puedo usarlo en una aplicación de bus de CC de 400V?

Sí, un diodo con VRRM de 650V está clasificado apropiadamente para un bus de CC de 400V. La práctica de diseño común es aplicar un derating del 20-30%, lo que significa que el voltaje inverso repetitivo máximo debe ser 1.2-1.3 veces el voltaje máximo del sistema. 650V / 1.3 = 500V, lo que proporciona un buen margen de seguridad para un bus de 400V, teniendo en cuenta los transitorios y picos.

8.4 ¿La pestaña metálica está activa?

Sí. La hoja de datos establece claramente "CÁPSULA: Cátodo." La pestaña metálica está conectada eléctricamente al pin del cátodo. Debe estar aislada del disipador de calor (que a menudo está conectado a tierra o al chasis) a menos que el cátodo esté al mismo potencial.

9. Ejemplo Práctico de Diseño

Escenario:Diseñar una etapa de Corrección del Factor de Potencia (PFC) tipo boost de 1.5kW con una salida de 400V CC a partir de una entrada CA universal (85-265VAC). La frecuencia de conmutación se establece en 100 kHz para reducir el tamaño de los componentes magnéticos.

Razonamiento para la Selección del Diodo:El diodo boost debe bloquear el voltaje de salida (400V más el rizado). Se esperan picos de voltaje. La clasificación de 650V proporciona un margen suficiente. A 100 kHz, las pérdidas por conmutación son dominantes. Un FRD de silicio estándar tendría pérdidas por Qrr prohibitivamente altas a esta frecuencia. Este diodo Schottky de SiC, con su Qrr casi nula y baja QC, minimiza las pérdidas de conmutación, haciendo que la operación de alta frecuencia sea factible y eficiente. La corriente promedio estimada en el diodo se calcula a partir de la potencia y voltaje de salida. La clasificación continua de 6A, con un disipador adecuado, es apropiada para este nivel de potencia. La baja VF también mantiene las pérdidas por conducción manejables.

Diseño Térmico:Utilizando la disipación de potencia total estimada (P_cond + P_sw_cap), la RθJC y la temperatura máxima de unión objetivo (por ejemplo, 125°C para un margen de fiabilidad), se puede calcular la resistencia térmica requerida del disipador (RθSA) para asegurar que el dispositivo opere dentro de límites seguros.

10. Antecedentes y Tendencias Tecnológicas

10.1 Ventajas del Material de Carburo de Silicio (SiC)

El Carburo de Silicio es un material semiconductor de banda ancha. Sus propiedades clave incluyen un campo eléctrico crítico más alto (que permite capas de deriva más delgadas y de mayor voltaje), una mayor conductividad térmica (mejor disipación de calor) y la capacidad de operar a temperaturas mucho más altas que el silicio. Estas propiedades intrínsecas son las que permiten el rendimiento de alto voltaje, alta temperatura y alta frecuencia de los diodos Schottky de SiC y otros dispositivos de potencia de SiC.

10.2 Tendencias del Mercado y la Tecnología

La adopción de dispositivos de potencia de SiC se está acelerando, impulsada por las demandas globales de mayor eficiencia energética, densidad de potencia y la electrificación del transporte y la industria. Los diodos y MOSFETs de SiC se están convirtiendo en estándar en inversores solares de alto rendimiento, cargadores a bordo de vehículos eléctricos y accionamientos de tracción, y fuentes de alimentación de servidores avanzadas. La tendencia es hacia clasificaciones de voltaje más altas (por ejemplo, 1200V, 1700V) para aplicaciones industriales y automotrices, una resistencia específica de encendido más baja para los MOSFETs y la integración de dispositivos de SiC en módulos de potencia. A medida que aumentan los volúmenes de fabricación y disminuyen los costos, la tecnología SiC está pasando de aplicaciones premium a mercados principales más amplios.