Hoja de Datos del Diodo Schottky de SiC 650V en Cápsula TO-247-2L - Dimensiones 16.26x20.0x4.7mm - Tensión 650V - Corriente 8A - 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 una cápsula TO-247-2L. El dispositivo está diseñado para ofrecer una eficiencia y fiabilidad superiores en aplicaciones exigentes de conversión de potencia. Su función principal es proporcionar un flujo de corriente unidireccional con pérdidas de conmutación y carga de recuperación inversa mínimas, una ventaja significativa frente a los diodos de silicio tradicionales.

El posicionamiento principal de este diodo se encuentra dentro de sistemas de potencia modernos, de alta frecuencia y alta eficiencia. Sus ventajas fundamentales provienen de las propiedades intrínsecas del material Carburo de Silicio, que permiten operar a temperaturas, tensiones y frecuencias de conmutación más altas en comparación con el silicio. Los mercados objetivo son diversos, abarcando industrias donde la eficiencia energética, la densidad de potencia y la gestión térmica son críticas. Estos incluyen variadores de motores industriales, sistemas de energía renovable como inversores solares, fuentes de alimentación para centros de datos y sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI/UPS).

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

2.1 Características Eléctricas

Los parámetros eléctricos definen los límites operativos y el rendimiento del diodo bajo condiciones específicas.

• Tensión Inversa Repetitiva de Pico (VRRM):650V. Esta es la tensión inversa instantánea máxima que se puede aplicar de forma repetitiva. Define la tensión nominal del dispositivo y es crucial para seleccionar el diodo para un voltaje de bus dado, típicamente con un margen de seguridad.
• Corriente Directa Continua (IF):8A. Esta es la corriente directa promedio máxima que el diodo puede conducir de forma continua, limitada por la temperatura máxima de unión y la resistencia térmica. El valor de 8A se especifica a una temperatura de cápsula (TC) de 25°C. En aplicaciones reales, es necesario aplicar una reducción de capacidad (derating) basada en la temperatura de operación real.
• Tensión Directa (VF):Típicamente 1.5V a 8A y 25°C de temperatura de unión (TJ), con un máximo de 1.85V. Este parámetro es crítico para calcular las pérdidas por conducción (P_conducción = VF * IF). La baja VF es un beneficio clave de la tecnología Schottky de SiC, contribuyendo directamente a una mayor eficiencia del sistema. Nótese que VF tiene un coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que disminuye ligeramente al aumentar la temperatura, lo que ayuda a prevenir la fuga térmica en configuraciones en paralelo.
• Corriente Inversa (IR):Típicamente 2µA a 520V y 25°C TJ. Esta es la corriente de fuga cuando el diodo está polarizado en inversa. Una baja corriente de fuga minimiza las pérdidas de potencia en estado de bloqueo.
• Carga Capacitiva Total (QC):12 nC (típico) a VR=400V. Este es un parámetro crítico para la conmutación de alta frecuencia. QC representa la carga asociada a la capacitancia de unión del diodo que debe desplazarse durante cada ciclo de conmutación. Un valor bajo de QC se traduce directamente en menores pérdidas por conmutación, permitiendo operar a frecuencias más altas.
• Corriente Directa de Sobrecarga No Repetitiva (IFSM):29A. Esta es la corriente de pico no repetitiva máxima permitida durante un corto período (10ms, media onda sinusoidal). Indica la capacidad del dispositivo para soportar corrientes de arranque o de falla, como las que se encuentran durante el encendido o transitorios de carga.

2.2 Características Térmicas

La gestión térmica es primordial para la fiabilidad y el rendimiento.

• Temperatura Máxima de Unión (TJ,máx):175°C. Esta es la temperatura absoluta máxima que la unión semiconductor puede soportar. La operación continua en o cerca de este límite reducirá significativamente la vida útil del dispositivo.
• Resistencia Térmica, Unión-Cápsula (RθJC):1.9 °C/W (típico). Este parámetro cuantifica la impedancia térmica entre el chip semiconductor (unión) y la cápsula exterior del encapsulado. Un valor más bajo indica una mejor transferencia de calor desde el chip al disipador. El aumento total de temperatura de la unión se puede calcular como ΔTJ = PD * RθJC, donde PD es la potencia disipada en el diodo.
• Disipación de Potencia Total (PD):42W a TC=25°C. Esta es la potencia máxima que el dispositivo puede disipar bajo la condición de prueba especificada. En la práctica, la disipación permitida disminuye a medida que aumenta la temperatura de la cápsula.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características esenciales para el diseño y análisis.

3.1 Características VF-IF

Este gráfico representa la tensión directa (VF) frente a la corriente directa (IF). Muestra la relación no lineal, que típicamente comienza con una tensión de codo y luego aumenta aproximadamente de forma lineal. Los diseñadores usan esta curva para determinar con precisión las pérdidas por conducción a corrientes de operación específicas, lo que es más preciso que usar un único valor típico de VF.

3.2 Características VR-IR

Esta curva ilustra la corriente de fuga inversa (IR) en función de la tensión inversa aplicada (VR). Demuestra cómo la corriente de fuga aumenta tanto con la tensión inversa como con la temperatura de unión. Esto es vital para estimar las pérdidas en estado de bloqueo, especialmente en aplicaciones de alta tensión.

3.3 Características VR-Ct

Este gráfico muestra la capacitancia total (Ct) del diodo frente a la tensión inversa (VR). La capacitancia de unión es altamente no lineal, disminuyendo significativamente a medida que aumenta la tensión inversa (de 208 pF a 1V a 18 pF a 400V). Esta capacitancia no lineal es un factor clave para calcular el comportamiento de conmutación y el parámetro QC.

3.4 Corriente Directa Máxima vs. Temperatura de Cápsula

Esta curva de reducción de capacidad muestra cómo la corriente directa continua máxima permitida (IF) disminuye a medida que aumenta la temperatura de la cápsula (TC). Es una guía fundamental para el diseño del disipador, asegurando que la temperatura de unión no exceda su valor máximo nominal bajo todas las condiciones de operación.

3.5 Impedancia Térmica Transitoria

Esta curva representa la resistencia térmica transitoria (ZθJC) frente al ancho del pulso. Es crucial para evaluar el aumento de temperatura de la unión durante pulsos de potencia de corta duración, como los que ocurren durante eventos de conmutación o condiciones de sobrecarga. La masa térmica del encapsulado hace que la resistencia térmica efectiva sea menor para pulsos muy cortos.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Contorno y Dimensiones del Encapsulado

El dispositivo utiliza la cápsula estándar de la industria TO-247-2L. Las dimensiones clave del dibujo de contorno incluyen una longitud total del encapsulado de aproximadamente 20.0 mm, un ancho de 16.26 mm y una altura de 4.7 mm (excluyendo los terminales). Los terminales tienen un grosor y espaciado específicos para garantizar la compatibilidad con diseños estándar de PCB y agujeros de montaje del disipador.

4.2 Configuración de Pines e Identificación de Polaridad

La cápsula TO-247-2L tiene dos terminales. El Pin 1 se identifica como el Cátodo (K), y el Pin 2 es el Ánodo (A). Es importante destacar que la pestaña metálica o la cápsula del encapsulado está conectada eléctricamente al Cátodo. Esto debe considerarse cuidadosamente durante el montaje para garantizar un aislamiento eléctrico adecuado si el disipador no está al potencial del cátodo. Se proporciona un patrón de soldadura recomendado para PCB (diseño de pads) para asegurar una soldadura fiable y un buen rendimiento térmico cuando se utiliza la forma de terminal para montaje superficial.

5. Directrices de Montaje y Ensamblaje

La instalación correcta es crítica para el rendimiento y la fiabilidad.

• Par de Apriete:El par de apriete recomendado para el tornillo de fijación (M3 o 6-32) es de 8.8 N·cm (o 8.8 lbf-in). Aplicar el par correcto asegura un contacto térmico óptimo entre la cápsula del dispositivo y el disipador sin dañar el encapsulado.
• Material de Interfaz Térmica (TIM):Siempre debe usarse una pasta térmica o almohadilla adecuada entre la cápsula del diodo y el disipador para llenar los micro huecos de aire y minimizar la resistencia térmica.
• Aislamiento Eléctrico:Dado que la cápsula está conectada al cátodo, se requiere una almohadilla eléctricamente aislante pero térmicamente conductora (por ejemplo, mica, caucho de silicona con relleno cerámico) si el disipador está a un potencial diferente. La tensión de aislamiento nominal de esta almohadilla debe exceder la tensión de operación del sistema.
• Condiciones de Almacenamiento:El dispositivo debe almacenarse dentro de un rango de temperatura de -55°C a +175°C en un ambiente seco y no corrosivo.

6. Recomendaciones de Aplicación

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

Este diodo Schottky de SiC es ideal para varios circuitos clave de electrónica de potencia:

• Corrección del Factor de Potencia (PFC):Se utiliza en la etapa convertidor elevador (boost) de las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS). Su conmutación rápida y baja QC reducen las pérdidas por conmutación a altas frecuencias (a menudo de 65kHz a 150kHz), mejorando la eficiencia de la etapa PFC.
• Etapa DC-AC de Inversor Solar:Se emplea en el puente inversor o como diodo de libre circulación (flyback). La alta tensión nominal y la eficiencia contribuyen a una mayor eficiencia general del inversor, lo cual es crítico para el rendimiento de la energía solar.
• Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI/UPS):Se utiliza tanto en las secciones de rectificador/cargador como en el inversor. La alta capacidad de sobrecarga (IFSM) ayuda a manejar las corrientes de carga de la batería y los transitorios de carga de salida.
• Inversores para Variadores de Motor:Actúa como el diodo de libre circulación en paralelo con Transistores Bipolares de Puerta Aislada (IGBT) o MOSFETs en el puente de salida. La ausencia de carga de recuperación inversa elimina las pérdidas por recuperación inversa y los picos de tensión asociados, permitiendo una conmutación más suave y una reducción de la interferencia electromagnética (EMI).

6.2 Consideraciones de Diseño

• Circuitos Snubber (Amortiguadores):Debido a la conmutación muy rápida y a la esencialmente nula recuperación inversa, los circuitos snubber para controlar di/dt o dv/dt pueden simplificarse o incluso no ser necesarios en comparación con los diodos de unión PN de silicio. Sin embargo, la inductancia parásita inducida por el diseño de la PCB aún puede causar sobretensiones y debe minimizarse con un diseño de PCB compacto.
• Operación en Paralelo:El coeficiente de temperatura negativo de VF hace que estos diodos sean inherentemente adecuados para operar en paralelo y aumentar la capacidad de corriente. A medida que un diodo se calienta, su VF disminuye, haciendo que comparta más corriente, lo que promueve el equilibrio de corriente en lugar de la fuga térmica. No obstante, aún se recomienda prestar atención cuidadosa al diseño simétrico y al acoplamiento térmico.
• Dimensionado del Disipador:Utilice la disipación de potencia (calculada a partir de VF e IR), RθJC y la curva de reducción de capacidad para dimensionar con precisión el disipador. El objetivo es mantener la temperatura de unión muy por debajo de 175°C (por ejemplo, 125-150°C) para una fiabilidad a largo plazo.

7. Comparación Técnica y Ventajas

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

• Recuperación Inversa Esencialmente Cero:La barrera Schottky es un dispositivo de portadores mayoritarios, a diferencia de las uniones PN que son dispositivos de portadores minoritarios. Esto elimina la carga almacenada y el tiempo de recuperación inversa asociado (trr) y la corriente (Irr). Esta es la ventaja más significativa, que conduce a pérdidas de conmutación dramáticamente más bajas.
• Temperatura de Operación Más Alta:El mayor ancho de banda prohibida del Carburo de Silicio permite una temperatura máxima de unión más alta (175°C frente a típicamente 150°C para el silicio), ofreciendo un mayor margen de diseño o permitiendo disipadores más pequeños.
• Frecuencia de Conmutación Más Alta:La combinación de baja QC y la ausencia de recuperación inversa permite una operación eficiente a frecuencias mucho más altas. Esto permite el uso de componentes pasivos más pequeños (inductores, capacitores, transformadores), aumentando la densidad de potencia.
• Caída de Tensión Directa Más Baja:A corrientes de operación típicas, los diodos Schottky de SiC a menudo tienen una VF comparable o menor que los FRD de silicio de alta tensión, reduciendo las pérdidas por conducción.
• Compensación (Trade-off):La principal compensación histórica era el coste, aunque los precios de los dispositivos de SiC han disminuido significativamente. Además, la corriente de fuga inversa de los diodos Schottky es generalmente mayor que la de los diodos PN y aumenta más bruscamente con la temperatura, lo que puede ser una consideración en aplicaciones de muy alta temperatura.

8. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P1: ¿Qué significa "esencialmente sin pérdidas de conmutación" en la práctica?

R1: Significa que el mecanismo de pérdida de conmutación dominante en un diodo—la pérdida por recuperación inversa—es despreciable. Sin embargo, aún se producen pérdidas debido a la carga y descarga de la capacitancia de unión (relacionada con QC). Estas pérdidas capacitivas son típicamente mucho menores que las pérdidas por recuperación inversa de un diodo de silicio, especialmente a altas frecuencias.

P2: ¿Cómo selecciono un disipador para este diodo?

R2: Primero, calcule la disipación de potencia en el peor caso: PD = (VF * IF_avg) + (VR * IR_avg). Utilice los valores de VF e IR a su temperatura de unión de operación esperada. Luego, determine su temperatura máxima de unión objetivo (por ejemplo, 140°C). La resistencia térmica requerida del disipador (RθSA) se puede encontrar con: RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS, donde TA es la temperatura ambiente y RθCS es la resistencia térmica del material de interfaz.

P3: ¿Puedo usar este diodo directamente como reemplazo de un diodo de silicio en mi circuito existente?

R3: No siempre sin revisión. Aunque la asignación de pines y el encapsulado pueden ser compatibles, la conmutación más rápida puede provocar picos de tensión más altos debido a la inductancia parásita del circuito. La excitación de puerta o el control para el transistor de conmutación asociado podrían necesitar ajustes. La menor tensión directa también puede cambiar ligeramente el comportamiento del circuito. Se recomienda una revisión exhaustiva del diseño.

P4: ¿Por qué la cápsula está conectada al cátodo?

R4: Esto es común en encapsulados de potencia. Permite que la gran pestaña metálica, excelente para la transferencia de calor, se utilice como conexión eléctrica. Esto reduce la inductancia parásita en la ruta del cátodo, lo que es beneficioso para la conmutación de alta velocidad. Requiere un aislamiento cuidadoso si el disipador no está al potencial del cátodo.

9. Caso de Estudio Práctico de Diseño

Escenario: Diseño de una Etapa PFC Elevadora (Boost) de 1.5kW.

Suponga un rango de tensión de entrada de 85-265VAC, tensión de salida de 400VDC y frecuencia de conmutación de 100kHz. El diodo elevador debe bloquear 400V y conducir la corriente del inductor. Los cálculos muestran una corriente de pico de alrededor de 10A y una corriente promedio del diodo de aproximadamente 4A.



Un diodo ultrafast de silicio con un trr de 50ns y QC de 30nC incurriría en pérdidas significativas por recuperación inversa a 100kHz. Al seleccionar este diodo Schottky de SiC (QC=12nC, sin trr), las pérdidas por conmutación en el diodo se reducen solo a las pérdidas capacitivas. Esto mejora directamente la eficiencia entre un 0.5-1.5%, reduce la generación de calor y puede permitir un disipador más pequeño o una operación a una temperatura ambiente más alta. El diseño también se beneficia de una EMI reducida debido a la ausencia de picos de corriente de recuperación inversa.

10. Principio de Funcionamiento

Un diodo Schottky se forma mediante una unión metal-semiconductor, a diferencia de un diodo de unión PN estándar que utiliza una unión semiconductor-semiconductor. En un diodo Schottky de SiC, un metal (por ejemplo, Titanio) se deposita sobre Carburo de Silicio. Esto crea una barrera Schottky que permite que la corriente fluya libremente en la dirección directa cuando se aplica una pequeña tensión (la baja VF). En la dirección inversa, la barrera bloquea el flujo de corriente. Debido a que la conducción depende solo de portadores mayoritarios (electrones en un sustrato de SiC tipo N), no hay inyección y almacenamiento de portadores minoritarios. En consecuencia, cuando la tensión se invierte, no hay carga almacenada que eliminar, lo que resulta en la característica de apagado casi instantáneo y la ausencia de recuperación inversa.

11. Tendencias Tecnológicas

Los dispositivos de potencia de Carburo de Silicio, incluidos los diodos Schottky y los MOSFET, representan una tendencia importante en la electrónica de potencia hacia una mayor eficiencia, frecuencia y densidad de potencia. El mercado está pasando de dispositivos de 600-650V (que compiten con MOSFETs de Superunión de silicio e IGBTs) a tensiones nominales de 1200V y 1700V para aplicaciones industriales y automotrices. La integración de diodos de SiC con MOSFETs de SiC en módulos se está volviendo común para etapas de potencia completas de alto rendimiento. Las mejoras continuas en la calidad del material SiC y los procesos de fabricación están reduciendo costes y mejorando la fiabilidad de los dispositivos, haciendo de la tecnología SiC la opción preferida para nuevos diseños en aplicaciones de media y alta potencia donde el rendimiento es crítico.