دیتاشیت دیود شاتکی SiC بسته‌بندی TO-247-2L - 650 ولت، 6 آمپر، 1.5 ولت - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

این سند مشخصات یک دیود مانع شاتکی (SBD) با عملکرد بالا از جنس سیلیکون کارباید (SiC) را که در بسته‌بندی TO-247-2L قرار دارد، به تفصیل شرح می‌دهد. این قطعه برای کاربردهای تبدیل توان که نیازمند بازدهی بالا، کارکرد در فرکانس‌های بالا و عملکرد حرارتی قوی هستند، طراحی شده است. عملکرد اصلی آن فراهم‌آوری جریان یک‌سو با حداقل تلفات سوئیچینگ و بار بازیابی معکوس است که مزیتی قابل توجه نسبت به دیودهای پی‌ان پیوندی سیلیکونی سنتی محسوب می‌شود.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای اصلی این دیود شاتکی SiC ناشی از خواص ماده سیلیکون کارباید است. مزایای کلیدی شامل افت ولتاژ مستقیم پایین (VF) که تلفات هدایت را کاهش می‌دهد، و قابلیت ذاتی سوئیچینگ سریع با بار بازیابی معکوس (Qc) تقریباً صفر است. این امر امکان کار در فرکانس‌های بالاتر را فراهم می‌کند که منجر به کوچک‌تر شدن قطعات غیرفعال (سلف‌ها، خازن‌ها) و کاهش کلی ابعاد سیستم می‌شود. دمای حداکثر اتصال (TJ,max) بالا معادل 175 درجه سانتی‌گراد، امکان کار در محیط‌های حرارتی سخت یا استفاده از هیت‌سینک‌های کوچک‌تر را فراهم می‌کند. این ویژگی‌ها آن را برای منابع تغذیه مدرن با چگالی توان بالا ایده‌آل می‌سازد. کاربردهای هدف به وضوح به عنوان مدارهای اصلاح ضریب توان (PFC) در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، اینورترهای خورشیدی، منابع تغذیه بدون وقفه (UPS)، درایوهای موتور و زیرساخت‌های تغذیه مراکز داده تعریف شده‌اند، جایی که بازدهی و چگالی توان پارامترهای حیاتی هستند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

دیتاشیت ریتینگ‌های الکتریکی و حرارتی جامعی را ارائه می‌دهد که برای طراحی مدار قابل اعتماد ضروری هستند. درک این پارامترها برای اطمینان از عملکرد دستگاه در محدوده عملیاتی ایمن (SOA) آن بسیار مهم است.

2.1 محدودیت‌های مطلق

این ریتینگ‌ها محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این مقادیر برای کارکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند. ریتینگ‌های کلیدی شامل: ولتاژ معکوس پیک تکراری (VRRM) و ولتاژ بلاک DC (VR) معادل 650 ولت، که حداکثر بایاس معکوس مجاز را تعریف می‌کنند. جریان مستقیم پیوسته (IF) در 6 آمپر ریت شده است که توسط حداکثر دمای اتصال و مقاومت حرارتی محدود می‌شود. یک پارامتر مهم، جریان موجی غیرتکراری (IFSM) معادل 24 آمپر برای یک موج سینوسی نیم‌موج 10 میلی‌ثانیه است که نشان‌دهنده استحکام در برابر اضافه بارهای کوتاه‌مدت است. حداکثر دمای اتصال (TJ) 175 درجه سانتی‌گراد است و تلفات توان کل (PD) در دمای کیس (TC) 25 درجه سانتی‌گراد معادل 71 وات مشخص شده است، اگرچه این مقدار به شدت به مدیریت حرارتی وابسته است.

2.2 مشخصات الکتریکی

این بخش مقادیر عملکردی معمول و حداکثر را تحت شرایط تست مشخص شده به تفصیل شرح می‌دهد. ولتاژ مستقیم (VF) یک پارامتر حیاتی برای محاسبه تلفات هدایت است؛ این مقدار معمولاً در 6 آمپر و 25 درجه سانتی‌گراد برابر 1.5 ولت است که در دمای اتصال بالا معادل 175 درجه سانتی‌گراد به حداکثر 1.9 ولت افزایش می‌یابد. جریان نشتی معکوس (IR) بسیار پایین است، معمولاً در 520 ولت و 25 درجه سانتی‌گراد برابر 0.8 میکروآمپر است که قابلیت بلاکینگ عالی پیوند شاتکی SiC را نشان می‌دهد. شاید بارزترین ویژگی، بار خازنی کل (QC) باشد که در 400 ولت معادل 10 نانوکولن مشخص شده است. این مقدار بسیار پایین، رفتار بازیابی معکوس نزدیک به صفر را تأیید می‌کند که منبع عملکرد سوئیچینگ پرسرعت و تلفات سوئیچینگ پایین دیود است. انرژی ذخیره شده در خازن (EC) نیز به طور متناظر پایین و معادل 1.5 میکروژول است.

2.3 مشخصات حرارتی

مدیریت حرارتی مؤثر برای قابلیت اطمینان امری حیاتی است. پارامتر کلیدی در اینجا مقاومت حرارتی از اتصال به کیس (Rth(JC)) است که مقدار معمول آن 2.1 درجه سانتی‌گراد بر وات می‌باشد. این مقدار پایین نشان‌دهنده انتقال حرارت کارآمد از تراشه نیمه‌هادی به بدنه دستگاه است که سپس باید از طریق یک هیت‌سینک دفع شود. مقدار مقاومت حرارتی در کنار تلفات توان و دمای محیط/کیس برای محاسبه دمای واقعی اتصال با استفاده از فرمول زیر به کار می‌رود: TJ = TC + (PD * Rth(JC)). اطمینان از باقی ماندن TJ زیر 175 درجه سانتی‌گراد برای قابلیت اطمینان بلندمدت ضروری است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

داده‌های گرافیکی بینشی از رفتار دستگاه تحت شرایط عملیاتی مختلف ارائه می‌دهند و داده‌های جدولی را تکمیل می‌کنند.

3.1 مشخصه‌های VF-IF

منحنی ولتاژ مستقیم در مقابل جریان مستقیم، رفتار هدایت دیود را نشان می‌دهد. این منحنی معمولاً یک رابطه نمایی در جریان‌های بسیار پایین نشان می‌دهد که در جریان‌های بالاتر مانند مقدار ریت شده 6 آمپر، به یک رابطه خطی‌تر که توسط مقاومت سری غالب است، تبدیل می‌شود. ضریب دمایی مثبت VF (که با دما افزایش می‌یابد) یک ویژگی مفید برای کارکرد موازی است، زیرا توزیع جریان را ترویج می‌دهد و از فرار حرارتی جلوگیری می‌کند.

3.2 جریان مستقیم حداکثر در مقابل دمای کیس

این منحنی کاهش ریتینگ نشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان مستقیم پیوسته مجاز (IF) با افزایش دمای کیس (TC) کاهش می‌یابد. طراحان باید از این نمودار برای تعیین جریان عملیاتی ایمن برای محیط حرارتی خاص خود استفاده کنند. در حداکثر دمای کیس (که کمتر از TJ,max خواهد بود)، جریان مجاز ممکن است به میزان قابل توجهی کمتر از مقدار ریت شده 6 آمپر در 25 درجه سانتی‌گراد باشد.

3.3 امپدانس حرارتی گذرا

منحنی مقاومت حرارتی گذرا در مقابل عرض پالس برای ارزیابی عملکرد حرارتی تحت شرایط بار پالسی، که در کاربردهای سوئیچینگ متداول است، حیاتی می‌باشد. این منحنی نشان می‌دهد که برای پالس‌های بسیار کوتاه، مقاومت حرارتی مؤثر از اتصال به کیس کمتر از مقاومت حرارتی حالت ماندگار Rth(JC) است، به این معنی که افزایش دمای اتصال برای یک پالس کوتاه منفرد کمتر از اتلاف توان پیوسته با همان مقدار است. این داده برای تحلیل تلفات در مبدل‌های سوئیچینگ استفاده می‌شود.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 پیکربندی پایه‌ها و قطبیت

دستگاه از بسته‌بندی TO-247-2L با دو پایه استفاده می‌کند. پایه 1 به عنوان کاتد (K) و پایه 2 به عنوان آند (A) شناسایی می‌شود. نکته مهم این است که فلنج فلزی یا بدنه بسته‌بندی نیز به کاتد متصل است. این موضوع باید در هنگام نصب با دقت در نظر گرفته شود، زیرا فلنج معمولاً نیاز به عایق‌بندی الکتریکی از هیت‌سینک (با استفاده از واشر عایق) دارد، مگر اینکه هیت‌سینک در پتانسیل کاتد باشد.

4.2 ابعاد بسته‌بندی و نحوه نصب

دیتاشیت شامل نقشه‌های مکانیکی دقیق با ابعاد بر حسب میلی‌متر برای بسته‌بندی TO-247-2L است. همچنین یک طرح پد توصیه شده برای فرم پایه نصب سطحی ارائه می‌دهد که در صورت فرم‌دهی پایه‌ها برای نصب سطحی، برای طراحی PCB مفید است. حداکثر گشتاور نصب برای پیچ مورد استفاده برای اتصال دستگاه به هیت‌سینک برای پیچ M3 یا 6-32 معادل 8.8 نیوتن متر (یا معادل آن بر حسب پوند-اینچ) مشخص شده است. اعمال گشتاور صحیح برای اطمینان از تماس حرارتی خوب بدون آسیب رساندن به بسته‌بندی بسیار مهم است.

5. راهنمای کاربرد و ملاحظات طراحی

5.1 مدارهای کاربردی متداول

کاربرد اصلی برجسته شده، اصلاح ضریب توان (PFC) است، به ویژه در توپولوژی‌های مبدل بوست. در مدار PFC بوست، دیود هنگامی که سوئیچ اصلی خاموش است، جریان سلف را حمل می‌کند. سوئیچینگ سریع و Qc پایین این دیود SiC، تلفات خاموش‌شدن مرتبط با بازیابی معکوس را به حداقل می‌رساند و امکان فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر را فراهم می‌کند. این امر منجر به کوچک‌تر شدن قطعات مغناطیسی (سلف بوست) و بهبود چگالی توان می‌شود. سایر کاربردها مانند اینورترهای خورشیدی و سیستم‌های UPS نیز به طور مشابه در مراحل یکسوسازی لینک DC یا خروجی خود بهره می‌برند.

5.2 طراحی حرارتی و هیت‌سینک

یک وظیفه طراحی حیاتی، انتخاب یک هیت‌سینک مناسب است. این فرآیند شامل مراحل زیر است: 1) محاسبه تلفات توان کل در دیود (تلفات هدایت + تلفات سوئیچینگ، اگرچه تلفات سوئیچینگ ناچیز است). 2) تعیین حداکثر دمای مجاز کیس بر اساس دمای محیط، حاشیه ایمنی مورد نیاز و مقاومت حرارتی اتصال به کیس. 3) استفاده از این اطلاعات برای محاسبه مقاومت حرارتی مورد نیاز هیت‌سینک (Rth(SA)). فرمول به این صورت است: Rth(SA) = (TC - TA) / PD - Rth(JC) - Rth(CS)، که در آن Rth(CS) مقاومت حرارتی ماده رابط (گریس/پد حرارتی) است. Qc پایین مستقیماً تلفات سوئیچینگ را کاهش می‌دهد که به نوبه خود نیاز به هیت‌سینک را کاهش داده و همانطور که در ویژگی‌ها ذکر شده، امکان صرفه‌جویی در هزینه و اندازه را فراهم می‌کند.

5.3 کارکرد موازی

ضریب دمایی مثبت VF، کارکرد موازی ایمن چندین دستگاه برای قابلیت جریان بالاتر را تسهیل می‌کند. با گرم شدن یک دیود و افزایش VF آن، جریان به طور طبیعی به دستگاه موازی خنک‌تر منتقل می‌شود و توزیع متعادل جریان را ترویج می‌دهد. این یک مزیت قابل توجه نسبت به برخی دیودها با ضریب دمایی منفی است که می‌توانند در پیکربندی‌های موازی دچار فرار حرارتی شوند.

6. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با دیودهای بازیابی سریع (FRD) سیلیکونی استاندارد یا حتی دیودهای بازیابی فوق سریع، این دیود شاتکی SiC مزایای بنیادی ارائه می‌دهد. دیودهای سیلیکونی دارای بار بازیابی معکوس (Qrr) قابل توجهی هستند که منجر به تلفات سوئیچینگ زیاد، اسپایک ولتاژ و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در هنگام خاموش‌شدن می‌شود. Qc دیود شاتکی SiC به اندازه چندین مرتبه قدر پایین‌تر است و عملاً این مشکلات را حذف می‌کند. در حالی که دیودهای شاتکی سیلیکون کارباید در گذشته افت ولتاژ مستقیم بالاتری نسبت به دیودهای پی‌ان سیلیکونی داشتند، دستگاه‌های مدرن مانند این مورد، به مقادیر رقابتی VF (1.5 ولت) دست یافته‌اند در حالی که مزایای سوئیچینگ را حفظ کرده‌اند. دمای عملیاتی حداکثر بالاتر (175 درجه سانتی‌گراد در مقابل معمولاً 150 درجه سانتی‌گراد برای سیلیکون) نیز یک حاشیه قابلیت اطمینان در محیط‌های با دمای بالا فراهم می‌کند.

7. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

7.1 منظور از "بدون تلفات سوئیچینگ" چیست؟

این عبارت به فقدان تقریباً کامل تلفات بازیابی معکوس اشاره دارد. در یک مدار سوئیچینگ، هنگامی که یک دیود از هدایت مستقیم به بلاکینگ معکوس سوئیچ می‌شود، بار ذخیره شده در یک دیود معمولی باید تخلیه شود که باعث ایجاد یک پالس جریان معکوس و تلفات انرژی مرتبط می‌شود. Qc تنها 10 نانوکولنی دیود شاتکی SiC به این معنی است که این بار بسیار ناچیز است و باعث می‌شود تلفات سوئیچینگ در مقایسه با تلفات هدایت قابل چشم‌پوشی باشد.

7.2 چگونه بار خازنی پایین (Qc) امکان کار در فرکانس بالاتر را فراهم می‌کند؟

تلفات سوئیچینگ با فرکانس سوئیچینگ متناسب است. با دیودهای سنتی، تلفات بازیابی معکوس بالا، حداکثر فرکانس سوئیچینگ عملی را به دلیل تولید گرمای بیش از حد محدود می‌کند. از آنجایی که تلفات سوئیچینگ دیود SiC حداقل است، فرکانس را می‌توان به طور قابل توجهی افزایش داد. فرکانس بالاتر امکان استفاده از سلف‌ها و ترانسفورماتورهای کوچک‌تر را فراهم می‌کند که مستقیماً چگالی توان را افزایش می‌دهد.

7.3 چرا بدنه به کاتد متصل است و پیامدهای آن چیست؟

این یک طراحی متداول در بسته‌بندی‌های پرقدرت به دلایل الکتریکی و حرارتی است. این بدان معناست که فلنج فلزی، که مسیر حرارتی اصلی است، از نظر الکتریکی دارای پتانسیل (در پتانسیل کاتد) است. بنابراین، اگر چندین دستگاه با پتانسیل‌های مختلف بر روی یک هیت‌سینک مشترک نصب شده باشند، باید از سخت‌افزار عایق (واشر میکا، پدهای سیلیکونی و غیره) برای جلوگیری از اتصال کوتاه استفاده شود. ماده رابط حرارتی نیز باید استحکام دی‌الکتریک خوبی داشته باشد.

8. مطالعه موردی طراحی عملی

طراحی یک مرحله PFC بوست 1 کیلووات، 80 کیلوهرتز با ولتاژ خروجی 400 ولت DC را در نظر بگیرید. یک دیود فوق سریع سیلیکونی ممکن است Qrr معادل 50 نانوکولن داشته باشد. تلفات بازیابی معکوس در هر سیکل را می‌توان به صورت 0.5 * Vout * Qrr * fsw تخمین زد. این مقدار برابر با 0.5 * 400V * 50nC * 80kHz = 0.8W خواهد بود. استفاده از دیود شاتکی SiC با Qc=10nC این تلفات را به 0.5 * 400V * 10nC * 80kHz = 0.16W کاهش می‌دهد که صرفه‌جویی 0.64 واتی است. این کاهش تلفات، دمای اتصال را کاهش می‌دهد یا امکان استفاده از یک هیت‌سینک کوچک‌تر را فراهم می‌کند. علاوه بر این، عدم وجود جریان بازیابی معکوس، تنش روی سوئیچ اصلی (MOSFET/IGBT) را کاهش داده و EMI را به حداقل می‌رساند و به طور بالقوه طراحی فیلتر ورودی را ساده می‌کند.

9. اصل عملکرد

یک دیود شاتکی از طریق یک پیوند فلز-نیمه‌هادی تشکیل می‌شود، برخلاف یک دیود پی‌ان پیوندی. در یک دیود شاتکی سیلیکون کارباید، تماس فلزی با یک نیمه‌هادی SiC با گاف انرژی وسیع ایجاد می‌شود. این ساختار منجر به افت ولتاژ مستقیم پایین‌تر برای یک چگالی جریان معین در مقایسه با یک پیوند پی‌ان می‌شود و مهم‌تر از آن، هیچ ذخیره‌سازی حامل اقلیت ندارد. بنابراین، هنگامی که ولتاژ معکوس می‌شود، هیچ فرآیند آهسته بازترکیب حامل‌های اقلیت برای ایجاد جریان بازیابی معکوس وجود ندارد؛ خازن پیوند به سادگی تخلیه می‌شود. این دلیل بنیادی سرعت سوئیچینگ بالا و Qc پایین آن است.

10. روندهای فناوری

دستگاه‌های پرقدرت سیلیکون کارباید، از جمله دیودهای شاتکی و MOSFETها، یک فناوری کلیدی توانمندساز برای الکترونیک قدرت مدرن با بازدهی بالا هستند. روند به سمت ریتینگ ولتاژ بالاتر (مانند 1200 ولت، 1700 ولت) برای کاربردهایی مانند اینورترهای کشش وسایل نقلیه الکتریکی و درایوهای صنعتی، مقاومت روشنی ویژه پایین‌تر برای MOSFETها و بهبود قابلیت اطمینان است. یکپارچه‌سازی نیز یک روند است، با ظهور ماژول‌های قدرتی که MOSFETهای SiC و دیودهای شاتکی را در پیکربندی‌های نیم‌پل یا دیگر ترکیب می‌کنند. با افزایش حجم تولید و کاهش هزینه‌ها، فناوری SiC به تدریج در حال جایگزینی IGBTها و دیودهای سیلیکونی در کاربردهای با توان متوسط است که در آن‌ها بازدهی، فرکانس و چگالی توان عوامل محرک هستند.