دیتاشیت دیود شاتکی SiC با ولتاژ 650V و جریان 8A در بسته‌بندی TO-247-2L - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

این سند مشخصات یک دیود مانع شاتکی (SBD) سیلیکون کارباید (SiC) با عملکرد بالا را که در بسته‌بندی TO-247-2L قرار دارد، به تفصیل شرح می‌دهد. این قطعه برای ارائه بازدهی و قابلیت اطمینان برتر در کاربردهای سخت تبدیل قدرت طراحی شده است. عملکرد اصلی آن، ایجاد جریان یک‌سو با حداقل تلفات سوئیچینگ و بار بازیابی معکوس است که یک مزیت قابل توجه در مقایسه با دیودهای مبتنی بر سیلیکون سنتی محسوب می‌شود.

موقعیت اصلی این دیود در سیستم‌های قدرت مدرن، با فرکانس بالا و بازدهی بالا است. مزایای اصلی آن ناشی از خواص ذاتی ماده سیلیکون کارباید است که امکان کار در دماها، ولتاژها و فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر نسبت به سیلیکون را فراهم می‌کند. بازارهای هدف متنوع هستند و صنایعی را در بر می‌گیرند که در آن‌ها بازده انرژی، چگالی قدرت و مدیریت حرارتی حیاتی است. این موارد شامل درایوهای موتور صنعتی، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مانند اینورترهای خورشیدی، منبع تغذیه مراکز داده و منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) می‌شود.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مشخصات الکتریکی

پارامترهای الکتریکی، مرزهای عملیاتی و عملکرد دیود را تحت شرایط خاص تعریف می‌کنند.

• ولتاژ معکوس پیک تکراری (VRRM):650 ولت. این حداکثر ولتاژ معکوس لحظه‌ای است که می‌توان به طور تکراری اعمال کرد. این پارامتر، رتبه ولتاژ قطعه را تعریف می‌کند و برای انتخاب دیود برای یک ولتاژ باس معین، معمولاً با حاشیه ایمنی، بسیار مهم است.
• جریان مستقیم پیوسته (IF):8 آمپر. این حداکثر جریان مستقیم متوسطی است که دیود می‌تواند به طور پیوسته هدایت کند و توسط حداکثر دمای پیوند و مقاومت حرارتی محدود می‌شود. مقدار 8 آمپر در دمای کیس (TC) برابر با 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده است. در کاربردهای واقعی، کاهش رتبه بر اساس دمای عملیاتی واقعی ضروری است.
• ولتاژ مستقیم (VF):معمولاً 1.5 ولت در 8 آمپر و دمای پیوند (TJ) 25 درجه سانتی‌گراد، با حداکثر 1.85 ولت. این پارامتر برای محاسبه تلفات هدایت (P_conduction = VF * IF) حیاتی است. VF پایین یک مزیت کلیدی فناوری شاتکی SiC است که مستقیماً به بازدهی بالاتر سیستم کمک می‌کند. توجه داشته باشید که VF دارای ضریب دمایی منفی است، به این معنی که با افزایش دما کمی کاهش می‌یابد که این امر به جلوگیری از فرار حرارتی در پیکربندی‌های موازی کمک می‌کند.
• جریان معکوس (IR):معمولاً 2 میکروآمپر در 520 ولت و دمای پیوند (TJ) 25 درجه سانتی‌گراد. این جریان نشتی زمانی است که دیود در بایاس معکوس قرار دارد. جریان نشتی کم، تلفات توان در حالت خاموش را به حداقل می‌رساند.
• بار خازنی کل (QC):12 نانوکولن (معمولی) در VR=400 ولت. این یک پارامتر حیاتی برای سوئیچینگ با فرکانس بالا است. QC نشان‌دهنده بار مرتبط با خازن پیوند دیود است که باید در هر چرخه سوئیچینگ جابجا شود. مقدار کم QC مستقیماً به معنای تلفات سوئیچینگ کمتر است و امکان کار در فرکانس بالاتر را فراهم می‌کند.
• جریان مستقیم لحظه‌ای غیرتکراری (IFSM):29 آمپر. این حداکثر جریان پیک غیرتکراری مجاز برای مدت کوتاه (10 میلی‌ثانیه، موج سینوسی نیمه) است. این پارامتر نشان‌دهنده توانایی قطعه برای تحمل جریان‌های هجومی یا خطا، مانند مواردی است که در هنگام راه‌اندازی یا تغییرات ناگهانی بار رخ می‌دهد.

2.2 مشخصات حرارتی

مدیریت حرارتی برای قابلیت اطمینان و عملکرد بسیار مهم است.

• حداکثر دمای پیوند (TJ,max):175 درجه سانتی‌گراد. این حداکثر دمای مطلقی است که پیوند نیمه‌هادی می‌تواند تحمل کند. کار مداوم در این حد یا نزدیک به آن، طول عمر قطعه را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.
• مقاومت حرارتی، پیوند به کیس (RθJC):1.9 درجه سانتی‌گراد بر وات (معمولی). این پارامتر امپدانس حرارتی بین تراشه نیمه‌هادی (پیوند) و بدنه خارجی بسته‌بندی را کمّی می‌کند. مقدار کمتر نشان‌دهنده انتقال حرارت بهتر از تراشه به هیت‌سینک است. افزایش دمای پیوند کل را می‌توان به صورت ΔTJ = PD * RθJC محاسبه کرد، که در آن PD توان تلف شده در دیود است.
• توان تلف شده کل (PD):42 وات در TC=25 درجه سانتی‌گراد. این حداکثر توانی است که قطعه می‌تواند تحت شرایط آزمایش مشخص شده تلف کند. در عمل، تلفات مجاز با افزایش دمای کیس کاهش می‌یابد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ضروری برای طراحی و تحلیل ارائه می‌دهد.

3.1 مشخصات VF-IF

این نمودار ولتاژ مستقیم (VF) را در برابر جریان مستقیم (IF) ترسیم می‌کند. این نمودار رابطه غیرخطی را نشان می‌دهد که معمولاً با یک ولتاژ زانو شروع می‌شود و سپس تقریباً به صورت خطی افزایش می‌یابد. طراحان از این منحنی برای تعیین دقیق تلفات هدایت در جریان‌های عملیاتی خاص استفاده می‌کنند که دقیق‌تر از استفاده از یک مقدار معمولی VF است.

3.2 مشخصات VR-IR

این منحنی جریان نشتی معکوس (IR) را به عنوان تابعی از ولتاژ معکوس اعمال شده (VR) نشان می‌دهد. این منحنی نشان می‌دهد که چگونه جریان نشتی با افزایش ولتاژ معکوس و دمای پیوند افزایش می‌یابد. این امر برای تخمین تلفات حالت خاموش، به ویژه در کاربردهای با ولتاژ بالا، حیاتی است.

3.3 مشخصات VR-Ct

این نمودار ظرفیت کل (Ct) دیود را در برابر ولتاژ معکوس (VR) نشان می‌دهد. خازن پیوند بسیار غیرخطی است و با افزایش ولتاژ معکوس به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد (از 208 پیکوفاراد در 1 ولت به 18 پیکوفاراد در 400 ولت). این خازن غیرخطی یک عامل کلیدی در محاسبه رفتار سوئیچینگ و پارامتر QC است.

3.4 حداکثر جریان مستقیم در مقابل دمای کیس

این منحنی کاهش رتبه نشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان مستقیم پیوسته مجاز (IF) با افزایش دمای کیس (TC) کاهش می‌یابد. این یک راهنمای اساسی برای طراحی هیت‌سینک است و اطمینان می‌دهد که دمای پیوند تحت تمام شرایط کاری از حداکثر رتبه خود تجاوز نکند.

3.5 امپدانس حرارتی گذرا

این منحنی مقاومت حرارتی گذرا (ZθJC) را در برابر عرض پالس ترسیم می‌کند. این منحنی برای ارزیابی افزایش دمای پیوند در طول پالس‌های توان کوتاه‌مدت، مانند مواردی که در طول رویدادهای سوئیچینگ یا شرایط هجومی رخ می‌دهد، بسیار مهم است. جرم حرارتی بسته‌بندی باعث می‌شود مقاومت حرارتی مؤثر برای پالس‌های بسیار کوتاه کمتر باشد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 طرح کلی و ابعاد بسته‌بندی

این قطعه از بسته‌بندی استاندارد صنعتی TO-247-2L استفاده می‌کند. ابعاد کلیدی از نقشه کلی شامل طول کل بسته‌بندی تقریباً 20.0 میلی‌متر، عرض 16.26 میلی‌متر و ارتفاع 4.7 میلی‌متر (به جز پایه‌ها) است. پایه‌ها دارای ضخامت و فاصله خاصی هستند تا سازگاری با چیدمان‌های استاندارد PCB و سوراخ‌های نصب هیت‌سینک را تضمین کنند.

4.2 پیکربندی پایه‌ها و شناسایی قطبیت

بسته‌بندی TO-247-2L دارای دو پایه است. پایه 1 به عنوان کاتد (K) و پایه 2 به عنوان آند (A) شناسایی می‌شود. نکته مهم این است که زبانه یا بدنه فلزی بسته‌بندی از نظر الکتریکی به کاتد متصل است. این موضوع باید در هنگام نصب با دقت در نظر گرفته شود تا در صورتی که هیت‌سینک در پتانسیل کاتد نیست، عایق‌بندی الکتریکی مناسب انجام شود. یک الگوی لند PCB توصیه شده (طرح پد) ارائه شده است تا اطمینان حاصل شود که هنگام استفاده از فرم پایه نصب سطحی، لحیم‌کاری و عملکرد حرارتی قابل اطمینان است.

5. دستورالعمل‌های نصب و مونتاژ

نصب صحیح برای عملکرد و قابلیت اطمینان حیاتی است.

• گشتاور نصب:گشتاور نصب توصیه شده برای پیچ ثابت‌کننده (M3 یا 6-32) برابر با 8.8 نیوتن-سانتی‌متر (یا 8.8 پوند-اینچ) است. اعمال گشتاور صحیح، تماس حرارتی بهینه بین بدنه بسته‌بندی و هیت‌سینک را بدون آسیب رساندن به بسته‌بندی تضمین می‌کند.
• ماده رابط حرارتی (TIM):همیشه باید از یک گریس یا پد حرارتی مناسب بین بدنه دیود و هیت‌سینک استفاده شود تا شکاف‌های میکروسکوپی هوا پر شده و مقاومت حرارتی به حداقل برسد.
• عایق‌بندی الکتریکی:از آنجایی که بدنه به کاتد متصل است، اگر هیت‌سینک در پتانسیل متفاوتی باشد، به یک پد عایق الکتریکی اما رسانای حرارتی (مانند میکا، لاستیک سیلیکونی پر شده با سرامیک) نیاز است. رتبه ولتاژ عایق این پد باید از ولتاژ عملیاتی سیستم بیشتر باشد.
• شرایط نگهداری:قطعه باید در محدوده دمایی 55- درجه سانتی‌گراد تا 175+ درجه سانتی‌گراد در یک محیط خشک و غیرخورنده نگهداری شود.

6. توصیه‌های کاربردی

6.1 مدارهای کاربردی معمول

این دیود شاتکی SiC برای چندین مدار کلیدی الکترونیک قدرت ایده‌آل است:

• اصلاح ضریب توان (PFC):در مرحله مبدل بوست منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) استفاده می‌شود. سوئیچینگ سریع و QC پایین آن، تلفات سوئیچینگ را در فرکانس‌های بالا (اغلب 65 کیلوهرتز تا 150 کیلوهرتز) کاهش می‌دهد و بازدهی مرحله PFC را بهبود می‌بخشد.
• مرحله DC-AC اینورتر خورشیدی:در پل اینورتر یا به عنوان دیود آزادگرد به کار می‌رود. رتبه ولتاژ بالا و بازدهی آن به بازدهی کلی بالاتر اینورتر کمک می‌کند که برای بازده انرژی خورشیدی حیاتی است.
• منبع تغذیه بدون وقفه (UPS):در هر دو بخش یکسوساز/شارژر و اینورتر استفاده می‌شود. قابلیت هجومی بالا (IFSM) به مدیریت جریان‌های شارژ باتری و تغییرات ناگهانی بار خروجی کمک می‌کند.
• اینورترهای درایو موتور:به عنوان دیود آزادگرد در سراسر ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایق‌شده (IGBT) یا MOSFET در پل خروجی عمل می‌کند. عدم وجود بار بازیابی معکوس، تلفات بازیابی معکوس و اسپایک‌های ولتاژ مرتبط را حذف می‌کند و امکان سوئیچینگ نرم‌تر و کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را فراهم می‌کند.

6.2 ملاحظات طراحی

• مدارهای اسنابر:به دلیل سوئیچینگ بسیار سریع و اساساً عدم بازیابی معکوس، مدارهای اسنابر برای کنترل di/dt یا dv/dt ممکن است در مقایسه با دیودهای پیوند PN سیلیکونی ساده‌تر شده یا حتی غیرضروری باشند. با این حال، اندوکتانس پارازیتی ناشی از چیدمان همچنان می‌تواند باعث افزایش بیش از حد ولتاژ شود و باید با یک چیدمان فشرده PCB به حداقل برسد.
• کار موازی:ضریب دمایی منفی VF باعث می‌شود این دیودها ذاتاً برای کار موازی به منظور افزایش تحمل جریان مناسب باشند. با گرم شدن یک دیود، VF آن کاهش می‌یابد و باعث می‌شود جریان بیشتری را به اشتراک بگذارد که این امر تعادل جریان را به جای فرار حرارتی ترویج می‌دهد. با این حال، توجه دقیق به چیدمان متقارن و کوپلینگ حرارتی همچنان توصیه می‌شود.
• تعیین اندازه هیت‌سینک:از تلفات توان (محاسبه شده از VF و IR)، RθJC و منحنی کاهش رتبه برای تعیین دقیق اندازه هیت‌سینک استفاده کنید. هدف این است که دمای پیوند را برای قابلیت اطمینان طولانی‌مدت به خوبی زیر 175 درجه سانتی‌گراد (مثلاً 125-150 درجه سانتی‌گراد) نگه دارید.

7. مقایسه فنی و مزایا

در مقایسه با دیودهای بازیابی سریع (FRD) سیلیکونی استاندارد یا حتی دیودهای PN سیلیکونی، این دیود شاتکی SiC مزایای متمایزی ارائه می‌دهد:

• اساساً بدون بازیابی معکوس:مانع شاتکی یک وسیله حامل اکثریت است، برخلاف پیوندهای PN که وسیله حامل اقلیت هستند. این امر بار ذخیره شده و زمان بازیابی معکوس (trr) و جریان (Irr) مرتبط با آن را حذف می‌کند. این مهم‌ترین مزیت است که منجر به تلفات سوئیچینگ به شدت کمتر می‌شود.
• دمای عملیاتی بالاتر:گاف انرژی وسیع‌تر سیلیکون کارباید امکان دمای پیوند حداکثر بالاتر (175 درجه سانتی‌گراد در مقابل معمولاً 150 درجه سانتی‌گراد برای سیلیکون) را فراهم می‌کند که حاشیه طراحی بیشتری ارائه می‌دهد یا امکان استفاده از هیت‌سینک‌های کوچکتر را فراهم می‌کند.
• فرکانس سوئیچینگ بالاتر:ترکیب QC پایین و عدم بازیابی معکوس، امکان کار با بازدهی در فرکانس‌های بسیار بالاتر را فراهم می‌کند. این امر امکان استفاده از قطعات غیرفعال کوچکتر (سلف‌ها، خازن‌ها، ترانسفورماتورها) را فراهم کرده و چگالی قدرت را افزایش می‌دهد.
• افت ولتاژ مستقیم کمتر:در جریان‌های عملیاتی معمول، دیودهای شاتکی SiC اغلب VF قابل مقایسه یا کمتری نسبت به FRDهای سیلیکونی با ولتاژ بالا دارند که تلفات هدایت را کاهش می‌دهد.
• معاوضه:معاوضه اصلی تاریخی هزینه بود، اگرچه قیمت قطعات SiC به طور قابل توجهی کاهش یافته است. همچنین، جریان نشتی معکوس دیودهای شاتکی عموماً از دیودهای PN بیشتر است و با دما به شدت افزایش می‌یابد که می‌تواند در کاربردهای با دمای بسیار بالا مورد توجه قرار گیرد.

8. پرسش‌های متداول (FAQ)

سوال 1: عبارت "اساساً بدون تلفات سوئیچینگ" در عمل به چه معناست؟

پاسخ 1: به این معنی است که مکانیسم غالب تلفات سوئیچینگ در یک دیود - یعنی تلفات بازیابی معکوس - قابل چشم‌پوشی است. با این حال، تلفات ناشی از شارژ و دشارژ خازن پیوند (مرتبط با QC) همچنان رخ می‌دهد. این تلفات خازنی معمولاً بسیار کمتر از تلفات بازیابی معکوس یک دیود سیلیکونی است، به ویژه در فرکانس‌های بالا.

سوال 2: چگونه برای این دیود یک هیت‌سینک انتخاب کنم؟

پاسخ 2: ابتدا بدترین حالت تلفات توان را محاسبه کنید: PD = (VF * IF_avg) + (VR * IR_avg). از مقادیر VF و IR در دمای پیوند عملیاتی مورد انتظار خود استفاده کنید. سپس، حداکثر دمای پیوند هدف خود را تعیین کنید (مثلاً 140 درجه سانتی‌گراد). مقاومت حرارتی مورد نیاز هیت‌سینک (RθSA) را می‌توان از رابطه زیر یافت: RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS، که در آن TA دمای محیط و RθCS مقاومت حرارتی ماده رابط است.

سوال 3: آیا می‌توانم از این دیود مستقیماً به عنوان جایگزین یک دیود سیلیکونی در مدار موجود خود استفاده کنم؟

پاسخ 3: نه همیشه بدون بررسی مجدد. در حالی که پین‌اوت و بسته‌بندی ممکن است سازگار باشند، سوئیچینگ سریع‌تر می‌تواند به دلیل اندوکتانس پارازیتی مدار منجر به اسپایک‌های ولتاژ بالاتر شود. درایو گیت یا کنترل ترانزیستور سوئیچینگ مرتبط ممکن است نیاز به تنظیم داشته باشد. ولتاژ مستقیم کمتر نیز ممکن است رفتار مدار را کمی تغییر دهد. بررسی طراحی کامل توصیه می‌شود.

سوال 4: چرا بدنه به کاتد متصل است؟

پاسخ 4: این امر در بسته‌بندی‌های قدرت رایج است. این امکان را می‌دهد که زبانه فلزی بزرگ، که برای انتقال حرارت عالی است، به عنوان یک اتصال الکتریکی استفاده شود. این امر اندوکتانس پارازیتی در مسیر کاتد را کاهش می‌دهد که برای سوئیچینگ با سرعت بالا مفید است. این امر در صورتی که هیت‌سینک در پتانسیل کاتد نباشد، نیازمند عایق‌بندی دقیق است.

9. مطالعه موردی طراحی عملی

سناریو: طراحی یک مرحله بوست PFC با توان 1.5 کیلووات.

فرض کنید محدوده ولتاژ ورودی 85-265 ولت AC، ولتاژ خروجی 400 ولت DC و فرکانس سوئیچینگ 100 کیلوهرتز است. دیود بوست باید 400 ولت را بلاک کند و جریان سلف را حمل کند. محاسبات نشان می‌دهد جریان پیک حدود 10 آمپر و جریان متوسط دیود تقریباً 4 آمپر است.



یک دیود فوق سریع سیلیکونی با trr برابر 50 نانوثانیه و QC برابر 30 نانوکولن، تلفات بازیابی معکوس قابل توجهی در 100 کیلوهرتز متحمل می‌شود. با انتخاب این دیود شاتکی SiC (QC=12nC، بدون trr)، تلفات سوئیچینگ در دیود تنها به تلفات خازنی کاهش می‌یابد. این امر مستقیماً بازدهی را 0.5 تا 1.5 درصد بهبود می‌بخشد، تولید گرما را کاهش می‌دهد و ممکن است امکان استفاده از هیت‌سینک کوچکتر یا کار در دمای محیط بالاتر را فراهم کند. طراحی همچنین از کاهش EMI به دلیل عدم وجود اسپایک‌های جریان بازیابی معکوس بهره می‌برد.

10. اصل عملکرد

یک دیود شاتکی از یک پیوند فلز-نیمه‌هادی تشکیل شده است، برخلاف یک دیود پیوند PN استاندارد که از یک پیوند نیمه‌هادی-نیمه‌هادی استفاده می‌کند. در یک دیود شاتکی SiC، یک فلز (مانند تیتانیوم) بر روی سیلیکون کارباید رسوب داده می‌شود. این یک مانع شاتکی ایجاد می‌کند که هنگامی که یک ولتاژ کوچک اعمال می‌شود (VF پایین)، اجازه می‌دهد جریان به راحتی در جهت مستقیم جریان یابد. در جهت معکوس، مانع از جریان جریان می‌شود. از آنجایی که هدایت تنها به حامل‌های اکثریت (الکترون‌ها در یک زیرلایه SiC نوع N) متکی است، هیچ تزریق و ذخیره‌ای از حامل‌های اقلیت وجود ندارد. در نتیجه، هنگامی که ولتاژ معکوس می‌شود، هیچ بار ذخیره‌شده‌ای برای حذف وجود ندارد که منجر به مشخصه خاموش شدن تقریباً آنی و عدم بازیابی معکوس می‌شود.

11. روندهای فناوری

قطعات قدرت سیلیکون کارباید، از جمله دیودهای شاتکی و MOSFET، نمایانگر یک روند اصلی در الکترونیک قدرت به سمت بازدهی، فرکانس و چگالی قدرت بالاتر هستند. بازار در حال حرکت از قطعات 600-650 ولتی (در رقابت با MOSFETهای Superjunction سیلیکونی و IGBTها) به سمت رتبه‌های 1200 ولت و 1700 ولت برای کاربردهای صنعتی و خودرویی است. ادغام دیودهای SiC با MOSFETهای SiC در ماژول‌ها برای مراحل قدرت با عملکرد کامل بالا در حال رایج شدن است. بهبودهای مستمر در کیفیت ماده SiC و فرآیندهای ساخت، هزینه‌ها را کاهش داده و قابلیت اطمینان قطعه را بهبود می‌بخشد و فناوری SiC را به انتخاب ترجیحی برای طراحی‌های جدید در کاربردهای با توان متوسط و بالا که عملکرد در آن‌ها حیاتی است، تبدیل می‌کند.