Hoja de Datos del Diodo Schottky de SiC en TO-252-3L - 650V, 20A, 1.5V - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

Este documento detalla las especificaciones de un diodo Schottky de Barrera (SBD) de alto rendimiento en Carburo de Silicio (SiC), en encapsulado superficial TO-252-3L (DPAK). El dispositivo está diseñado para aplicaciones de conversión de potencia de alta tensión y alta frecuencia donde la eficiencia, la densidad de potencia y la gestión térmica son críticas. Al emplear tecnología SiC, este diodo ofrece características de conmutación superiores en comparación con los diodos de unión PN de silicio tradicionales, permitiendo mejoras significativas a nivel de sistema.

La ventaja principal de este diodo Schottky de SiC radica en su carga de recuperación inversa casi nula, lo que prácticamente elimina las pérdidas por conmutación asociadas al apagado del diodo. Esta característica es primordial para aumentar las frecuencias de conmutación en fuentes de alimentación e inversores, permitiendo el uso de componentes pasivos más pequeños como inductores y condensadores, aumentando así la densidad de potencia global. La baja caída de tensión en directo contribuye además a reducir las pérdidas por conducción, mejorando la eficiencia del sistema en todo el rango de temperatura de operación.

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

2.1 Características Eléctricas

El dispositivo está clasificado para una tensión inversa de pico repetitiva máxima (VRRM) de 650V, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que operan desde la red eléctrica universal (85-265VAC) con un margen de diseño suficiente. La corriente directa continua (IF) nominal es de 20A, determinada a una temperatura de cápsula (TC) de 25°C. Es crucial tener en cuenta que esta corriente nominal está limitada térmicamente y se reducirá al aumentar la temperatura de unión, como se detalla en la sección de características térmicas.

Un parámetro clave de rendimiento para los diodos de conmutación es la carga capacitiva total (Qc). Este dispositivo especifica una Qc típica de 30nC a una tensión inversa (VR) de 400V y una temperatura de unión (Tj) de 25°C. Este valor bajo confirma la carga almacenada mínima, lo que se traduce directamente en bajas pérdidas por conmutación y permite la operación a alta frecuencia. La tensión directa (VF) se especifica con un máximo de 1,85V cuando conduce 16A a 25°C, aumentando a un valor típico de 1,9V a la temperatura máxima de unión de 175°C. Este coeficiente de temperatura positivo de VF es una característica beneficiosa de los diodos Schottky de SiC, que favorece el reparto de corriente y evita la fuga térmica cuando varios dispositivos operan en paralelo.

La corriente de fuga inversa (IR) es excepcionalmente baja, con un máximo de 120µA a 520V y 25°C. Esta baja fuga contribuye a una alta eficiencia, especialmente en condiciones de espera o carga ligera.

2.2 Características Térmicas

Una gestión térmica eficaz es esencial para una operación fiable. La métrica térmica principal es la resistencia térmica unión-cápsula (RθJC), que se especifica con un valor típico de 3,6°C/W. Este valor bajo indica una transferencia de calor eficiente desde la unión del semiconductor hasta la cápsula del encapsulado, permitiendo que el calor se disipe eficazmente a través de un disipador externo unido a la pestaña. La temperatura máxima permitida de unión (Tj) es de 175°C, y el dispositivo puede almacenarse en un rango de temperatura de -55°C a +175°C.

La disipación de potencia total (PD) está clasificada en 50W a TC=25°C. En aplicaciones prácticas, la disipación de potencia real permisible se calcula en base a la temperatura máxima de unión, la resistencia térmica (unión-ambiente, RθJA, que incluye las resistencias cápsula-disipador y disipador-ambiente) y la temperatura ambiente. Las curvas proporcionadas de "Disipación de Potencia" y "Resistencia Térmica Transitoria" son críticas para diseñar frente a condiciones de sobrecarga transitoria y determinar las áreas de operación segura.

3. Análisis de las Curvas de Rendimiento

3.1 Características en Conducción Directa (VF-IF)

La curva característica VF-IF ilustra la relación entre la caída de tensión directa y la corriente directa a varias temperaturas de unión. Como es de esperar en un diodo Schottky, la curva muestra una tensión de rodilla más baja en comparación con los diodos PN de silicio. La curva también demuestra el coeficiente de temperatura positivo, donde VF aumenta con Tj para una corriente dada. Este gráfico es esencial para calcular las pérdidas por conducción (Ploss = VF * IF) bajo diferentes condiciones de operación.

3.2 Características en Inversa y Capacitancia

La curva VR-IR muestra la corriente de fuga inversa muy baja en todo el rango de tensión hasta la tensión de bloqueo. La curva VR-Ct muestra la capacitancia de unión en función de la polarización inversa. La capacitancia disminuye al aumentar la tensión inversa (desde ~513pF a 1V hasta ~46pF a 400V), lo cual es característico de la anchura de la región de agotamiento dependiente de la tensión. La capacitancia baja y dependiente de la tensión afecta a la velocidad de conmutación y al parámetro Qc.

3.3 Rendimiento ante Sobretensiones y Transitorios

El gráfico "Características Máxima Ip – TC" define la corriente de sobrecarga no repetitiva permisible (IFSM) en función de la temperatura de cápsula. El dispositivo puede soportar una sobrecarga de 26A (media onda sinusoidal, duración de 10ms) a 25°C. El gráfico "Características IFSM – PW" detalla aún más la capacidad de corriente de sobrecarga frente a la anchura del pulso, lo que es vital para diseñar la protección contra corrientes de arranque o condiciones de fallo. La curva "Características EC-VR" representa la energía capacitiva almacenada (EC) frente a la tensión inversa, importante para comprender las pérdidas en circuitos resonantes.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Esquema y Dimensiones del Encapsulado

El dispositivo está alojado en un encapsulado TO-252-3L. Las dimensiones críticas incluyen una longitud total del encapsulado (E) de 6,60mm (típ.), un ancho (D) de 6,10mm (típ.) y una altura (A) de 2,30mm (típ.). El paso de los terminales (e1) es de 2,28mm (básico). La gran pestaña metálica (cápsula) sirve como la principal vía térmica y está conectada eléctricamente al terminal cátodo. Se proporciona un dibujo detallado con cotas y tolerancias para el diseño de la huella en PCB.

4.2 Configuración de Pines e Identificación de Polaridad

La configuración de pines está claramente definida: el Pin 1 es el Cátodo (K), el Pin 2 es el Ánodo (A), y la CÁPSULA (la gran pestaña metálica) también está conectada al Cátodo. La identificación correcta de la polaridad durante el montaje es crucial para evitar fallos del dispositivo. Se proporciona el diseño recomendado de las almohadillas en el PCB para el montaje superficial, a fin de garantizar la correcta formación de la soldadura y la conexión térmica con la placa.

5. Guías de Soldadura y Montaje

Como componente de montaje superficial, este diodo está destinado a procesos de soldadura por reflujo. Aunque en esta hoja de datos no se enumeran los parámetros específicos del perfil de reflujo (precalentamiento, estabilización, temperatura máxima de reflujo, tiempo por encima del líquido), se deben seguir los perfiles estándar de reflujo sin plomo compatibles con IPC/JEDEC J-STD-020. La temperatura máxima del cuerpo del encapsulado durante la soldadura no debe exceder el máximo de temperatura de almacenamiento especificado de 175°C durante un período prolongado. El par de apriete para cualquier tornillo utilizado con la pestaña (si es aplicable para disipación) se especifica como 8,8 N·cm (1 lbf·in) para tornillos M3 o 6-32.

Se deben tomar precauciones para evitar tensiones mecánicas en los terminales después de la soldadura. El dispositivo debe almacenarse en un entorno seco y antiestático antes de su uso para prevenir la absorción de humedad (que puede causar el "efecto palomita" durante el reflujo) y daños por descarga electrostática.

6. Recomendaciones de Aplicación

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

Este diodo Schottky de SiC es ideal para varias topologías de conversión de potencia de alto rendimiento:

• Corrección del Factor de Potencia (PFC) en Fuentes de Alimentación Conmutadas (SMPS):Se utiliza como diodo elevador en etapas PFC de modo de conducción continua (CCM) o modo de conducción crítica (CrM). Su conmutación rápida y baja Qc reducen las pérdidas por conmutación a altas frecuencias de línea, mejorando la eficiencia, especialmente a altas tensiones de línea.
• Inversores Solares:Se emplea en la etapa elevadora de microinversores fotovoltaicos o inversores de cadena para manejar altas tensiones y corrientes con pérdidas mínimas, maximizando la cosecha de energía.
• Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI/UPS):Se utiliza en la etapa de salida del inversor o en circuitos de carga de baterías para una conmutación de alta frecuencia eficiente.
• Accionamientos de Motores:Puede usarse en circuitos de rueda libre o de sujeción dentro de variadores de frecuencia (VFD) para gestionar eficientemente la contrafuerza inductiva de los motores.
• Fuentes de Alimentación para Centros de Datos:Esenciales para lograr alta eficiencia (por ejemplo, 80 Plus Titanium) en fuentes de alimentación para servidores, donde cada punto porcentual de reducción de pérdidas es crítico.

6.2 Consideraciones de Diseño

Diseño Térmico:El principal desafío de diseño es gestionar la temperatura de unión. Utilice el valor RθJC y la Tj máxima para calcular el disipador requerido. La pestaña metálica debe soldarse a una almohadilla de cobre suficientemente grande en el PCB, posiblemente con vías térmicas a capas internas o a un plano en la cara posterior, para actuar como disipador. Para aplicaciones de mayor potencia, puede ser necesario un disipador externo unido a la pestaña.

Operación en Paralelo:El coeficiente de temperatura positivo de VF facilita el reparto de corriente entre diodos en paralelo. Sin embargo, aún se requiere una simetría cuidadosa del diseño para garantizar una inductancia y resistencia parásitas iguales en cada rama, evitando desequilibrios de corriente durante transitorios rápidos.

Circuitos Snubber (Amortiguadores):Aunque el diodo tiene una carga de recuperación muy baja, la inductancia y capacitancia parásitas del circuito aún pueden causar sobretensiones durante el apagado. Pueden ser necesarios circuitos snubber (RC o RCD) para limitar estos picos y garantizar una operación fiable dentro de los límites máximos de tensión.

Consideraciones de la Excitación de Puerta (para los interruptores asociados):La conmutación rápida de este diodo puede provocar altos di/dt y dv/dt. Esto puede requerir atención al diseño de la excitación de puerta del transistor de conmutación acompañante (por ejemplo, MOSFET) para evitar disparos falsos debido al efecto Miller o para gestionar la interferencia electromagnética (EMI).

7. Comparativa Técnica y Ventajas

En comparación con los diodos de recuperación rápida de silicio estándar (FRD) o incluso con los diodos Schottky de barrera de unión (JBS) de carburo de silicio, este diodo Schottky ofrece ventajas distintivas:

• Recuperación Inversa Cero:El mecanismo de barrera Schottky no tiene almacenamiento de portadores minoritarios, lo que conduce a una Qc casi nula. Esto elimina los picos de corriente de recuperación inversa, reduciendo las pérdidas por conmutación en el propio diodo y en el transistor acompañante, y minimizando la EMI.
• Operación a Alta Temperatura:Las propiedades del material SiC permiten una temperatura máxima de unión de 175°C, superior a la de los dispositivos de silicio típicos (150°C), ofreciendo un mayor margen de diseño o permitiendo disipadores más pequeños.
• Capacidad de Alta Frecuencia:La combinación de baja Qc y baja capacitancia permite una operación eficiente a frecuencias de conmutación muy por encima de los cientos de kHz, superando los límites prácticos de los FRD de silicio.
• Ganancias de Eficiencia:La VF más baja (en comparación con los diodos PN de Si a alta temperatura) y la ausencia de pérdidas por recuperación se traducen directamente en una mayor eficiencia del sistema, particularmente a carga parcial y condiciones de alta tensión de línea.

El compromiso tradicionalmente asociado con los diodos Schottky—una tensión de ruptura más baja—se supera aquí mediante el uso de SiC, permitiendo la clasificación de 650V adecuada para aplicaciones de red universal.

8. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Puede este diodo reemplazar directamente un diodo de recuperación rápida de silicio en un diseño existente?

R: Aunque eléctricamente puede ser un reemplazo compatible con los pines, es obligatoria una revisión del diseño. La conmutación más rápida puede exacerbar los picos de tensión debido a los parásitos del circuito. El rendimiento térmico también será diferente. Se deben reevaluar los valores de los snubbers y la disipación térmica.

P: ¿Por qué la cápsula está conectada al cátodo? ¿Esto requiere aislamiento?

R: Sí, la pestaña metálica está viva eléctricamente (al potencial del cátodo). La almohadilla del PCB a la que se conecta debe estar en la red del cátodo. Si la pestaña se une a un disipador externo, ese disipador debe estar aislado eléctricamente de otros potenciales o del chasis del sistema, a menos que el chasis también esté al potencial del cátodo.

P: ¿Cómo se aplica la clasificación de corriente de sobrecarga (IFSM)?

R: La clasificación IFSM de 26A (10ms, media onda) es para eventos no repetitivos como la corriente de arranque o la eliminación de fallos. No debe usarse para calcular la capacidad de corriente continua. Se debe consultar la curva "IFSM – PW" para otras duraciones de pulso.

P: ¿Cuál es la importancia del parámetro de Energía Almacenada en la Capacitancia (EC)?

R: En aplicaciones como los convertidores resonantes LLC, la capacitancia de salida del diodo (Coss) se descarga en cada ciclo de conmutación, causando pérdidas. EC cuantifica esta pérdida. Un EC más bajo significa una menor pérdida por conmutación capacitiva.

9. Caso Práctico de Diseño

Escenario: Diseño de una etapa PFC de 1kW con eficiencia 80 Plus Titanium para una fuente de alimentación de servidor.

El diseño utiliza una topología de modo de conducción crítica (CrM) entrelazada que conmuta a 100kHz. Cada fase maneja 500W. El diodo elevador debe bloquear hasta 400VDC y transportar una corriente pico de aproximadamente 10A. Inicialmente se consideró un diodo ultrafast de silicio, pero se calculó que tendría más de 5W de pérdidas relacionadas con la recuperación por fase a alta tensión de línea.

Al sustituirlo por este diodo Schottky de SiC de 650V, se eliminan las pérdidas por recuperación. Las pérdidas restantes son principalmente por conducción (basadas en VF y la corriente RMS) y una pequeña pérdida capacitiva (basada en EC). El cálculo térmico, utilizando RθJC=3,6°C/W y una Tj máxima diseñada de 125°C, muestra que el aumento de temperatura de la unión del diodo es manejable utilizando el área de cobre del PCB como disipador principal. Esta sustitución contribuye directamente a cumplir el requisito de eficiencia >96% a 230VAC de entrada para el estándar Titanium, al tiempo que permite que los componentes magnéticos sean más pequeños debido a la frecuencia de conmutación alta y limpia.

10. Principio de Funcionamiento

Un diodo Schottky se forma mediante una unión metal-semiconductor, a diferencia de la unión semiconductor p-n de un diodo estándar. En este diodo Schottky de SiC, se hace un contacto metálico con Carburo de Silicio tipo n. Esto crea una barrera Schottky que permite que la corriente fluya fácilmente en la dirección directa cuando se aplica una polarización positiva al metal (ánodo) en relación con el semiconductor (cátodo). En polarización inversa, la barrera se ensancha, bloqueando el flujo de corriente.

La distinción crítica es que el transporte de corriente está dominado por portadores mayoritarios (electrones en SiC tipo n). No hay inyección, almacenamiento y posterior eliminación de portadores minoritarios (huecos) como en un diodo de unión PN. Por lo tanto, cuando el diodo se conmuta de conducción directa a bloqueo inverso, no hay pico de corriente de recuperación inversa ni tiempo de retardo asociado. El diodo se apaga casi instantáneamente, limitado solo por la carga de su capacitancia de unión. Este principio fundamental es la fuente de su rendimiento de conmutación de alta velocidad y sus bajas pérdidas por conmutación.

11. Tendencias Tecnológicas

Los dispositivos de potencia de Carburo de Silicio representan una tendencia significativa en la electrónica de potencia, permitiendo mayor eficiencia, densidad de potencia y temperaturas de operación que los dispositivos basados en silicio. Para los diodos, la evolución es hacia clasificaciones de tensión más altas (ahora comúnmente 650V y 1200V, con 1700V y 3300V emergiendo), caídas de tensión directa más bajas y capacitancia reducida. El encapsulado TO-252-3L (DPAK) utilizado aquí es un caballo de batalla para la potencia de montaje superficial, pero hay una tendencia paralela hacia encapsulados con aún menor inductancia y mejor rendimiento térmico, como TOLL (TO sin terminales) y D2PAK-7L, para las aplicaciones de más alto rendimiento. La integración es otra tendencia, con módulos "medio puente" de MOSFET de SiC y diodo Schottky co-encapsulados que están disponibles para minimizar la inductancia parásita en las celdas de conmutación. La continua reducción en el costo de los sustratos de SiC está haciendo que esta tecnología sea accesible para un rango más amplio de aplicaciones más allá de las fuentes de alimentación premium para servidores y telecomunicaciones, incluyendo cargadores a bordo para automoción, accionamientos de motores industriales y electrodomésticos que buscan estándares de eficiencia más altos.