دیتاشیت دیود شاتکی SiC با ولتاژ 650 ولت در بسته‌بندی TO-247-2L - جریان مستقیم 10 آمپر - ولتاژ مستقیم 1.48 ولت - دمای پیوند 175 درجه سانتی‌گراد - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

این سند جزئیات مشخصات یک دیود شاتکی سیلیکون کارباید (SiC) با عملکرد بالا را که در بسته‌بندی TO-247-2L قرار دارد، تشریح می‌کند. این قطعه برای کاربردهای الکترونیک قدرت که نیازمند بازدهی بالا، عملکرد فرکانس بالا و عملکرد حرارتی برتر هستند، طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تأمین جریان یک‌سو با حداقل تلفات سوئیچینگ و بار بازیابی معکوس است که مزیت قابل توجهی نسبت به دیودهای پیوند PN سیلیکونی سنتی دارد.

موقعیت اصلی این قطعه در سیستم‌های تبدیل قدرت پیشرفته‌ای است که بازدهی و چگالی توان در آن‌ها حیاتی است. مزایای اصلی آن ناشی از خواص بنیادی سیلیکون کارباید است که امکان کار در دماها، ولتاژها و فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر نسبت به قطعات مبتنی بر سیلیکون را فراهم می‌کند. بازارهای هدف شامل منبع تغذیه‌های صنعتی، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و کاربردهای درایو موتور هستند، جایی که این ویژگی‌ها مستقیماً به مزایای سطح سیستم تبدیل می‌شوند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

مقادیر حداکثر مطلق محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر برای عملکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند.

• ولتاژ معکوس پیک تکراری (VRRM):650 ولت. این حداکثر ولتاژ معکوس لحظه‌ای است که می‌توان به طور تکراری اعمال کرد.
• جریان مستقیم پیوسته (IF):10 آمپر. این حداکثر جریان DC است که دیود می‌تواند به طور پیوسته هدایت کند و توسط حداکثر دمای پیوند و مقاومت حرارتی محدود می‌شود.
• جریان موجی غیرتکراری (IFSM):30 آمپر. این رتبه‌بندی نشان‌دهنده توانایی دیود در تحمل یک رویداد اضافه بار جریان بالا (نیم موج سینوسی 10 میلی‌ثانیه) بدون خرابی است که برای مدیریت جریان‌های راه‌اندازی یا شرایط خطا حیاتی است.
• دمای پیوند (TJ):175 درجه سانتی‌گراد. حداکثر دمای مجاز خود پیوند نیمه‌هادی.
• دمای نگهداری (TSTG):55- تا 175+ درجه سانتی‌گراد.

2.2 مشخصه‌های الکتریکی

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط آزمایش مشخص شده تعریف می‌کنند.

• ولتاژ مستقیم (VF):معمولاً 1.48 ولت در IF=10A، TJ=25°C، با حداکثر 1.85 ولت. این VF پایین یک ویژگی کلیدی دیودهای شاتکی SiC است که منجر به کاهش تلفات هدایت می‌شود. توجه داشته باشید که VF با دما افزایش می‌یابد و در TJ=175°C تقریباً به 1.9 ولت می‌رسد.
• جریان نشتی معکوس (IR):معمولاً 2 میکروآمپر در VR=520V، TJ=25°C، با حداکثر 60 میکروآمپر. نشتی با دما افزایش می‌یابد، ویژگی‌ای که باید در طراحی‌های دمای بالا در نظر گرفته شود.
• بار خازنی کل (QC):15 نانوکولن (معمولی) در VR=400V. این یک پارامتر حیاتی برای محاسبه تلفات سوئیچینگ است. مقدار کم QC نشان‌دهنده این است که انرژی بسیار کمی در ظرفیت خازنی پیوند دیود ذخیره می‌شود که باید در هر چرخه سوئیچینگ تلف شود و منجر به "بدون تلفات سوئیچینگ" همانطور که در مزایا ذکر شده است، می‌شود.
• انرژی ذخیره شده خازن (EC):2.2 میکروژول (معمولی) در VR=400V. این انرژی ذخیره شده در ظرفیت خازنی دیود در ولتاژ مشخص شده است که مستقیماً به QC مرتبط است.

2.3 مشخصه‌های حرارتی

مدیریت حرارتی برای عملکرد قابل اعتماد و دستیابی به عملکرد رتبه‌بندی شده بسیار مهم است.

• مقاومت حرارتی، پیوند به کیس (RθJC):1.7 درجه سانتی‌گراد بر وات (معمولی). این مقدار کم نشان‌دهنده انتقال حرارت عالی از تراشه نیمه‌هادی به بدنه قطعه است و اجازه می‌دهد گرما به طور مؤثر از طریق هیت‌سینک متصل به بدنه دفع شود. رتبه‌بندی کل اتلاف توان (PD) 88 وات در TC=25°C از این پارامتر و حداکثر دمای پیوند مشتق شده است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین منحنی مشخصه ضروری برای مهندسان طراح است.

3.1 مشخصه‌های VF-IF

این نمودار ولتاژ مستقیم را در مقابل جریان مستقیم، معمولاً در چندین دمای پیوند (مثلاً 25°C و 175°C) ترسیم می‌کند. این به صورت بصری افت ولتاژ مستقیم کم و ضریب دمای مثبت آن را نشان می‌دهد. ضریب دمای مثبت یک ویژگی مفید برای کار موازی است، زیرا توزیع جریان را تقویت می‌کند و از فرار حرارتی جلوگیری می‌کند.

3.2 مشخصه‌های VR-IR

این منحنی رابطه بین ولتاژ معکوس و جریان نشتی معکوس را، دوباره در دماهای مختلف نشان می‌دهد. این برجسته می‌کند که چگونه جریان نشتی تا نزدیک شدن به ناحیه شکست نسبتاً کم باقی می‌ماند و چگونه به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد.

3.3 مشخصه‌های VR-Ct

این نمودار نشان می‌دهد که چگونه ظرفیت کل دیود (Ct) با افزایش ولتاژ بایاس معکوس (VR) کاهش می‌یابد. این ظرفیت غیرخطی یک عامل کلیدی در رفتار سوئیچینگ فرکانس بالا است.

3.4 جریان مستقیم حداکثر 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 ابزار حیاتی برای تعیین عملکرد هیت‌سینک لازم برای جریان کاربردی معین است.

3.5 امپدانس حرارتی گذرا

منحنی مقاومت حرارتی گذرا در مقابل عرض پالس (ZθJC در مقابل PW) برای ارزیابی عملکرد حرارتی تحت شرایط جریان پالسی حیاتی است. این نشان می‌دهد که برای پالس‌های بسیار کوتاه، مقاومت حرارتی مؤثر کمتر از مقاومت حرارتی حالت پایدار RθJC است و اجازه جریان‌های پیک بالاتر را می‌دهد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 پیکربندی پایه‌ها و قطبیت

قطعه از بسته‌بندی TO-247-2L با دو پایه استفاده می‌کند. پایه 1 کاتد (K) و پایه 2 آند (A) است. نکته مهم این است که زبانه فلزی یا بدنه بسته‌بندی از نظر الکتریکی به کاتد متصل است. این باید در حین نصب با دقت در نظر گرفته شود تا از اتصال کوتاه جلوگیری شود، زیرا بدنه باید از هیت‌سینک عایق شود مگر اینکه هیت‌سینک در پتانسیل کاتد باشد.

4.2 ابعاد و طرح کلی بسته‌بندی

نقشه‌های مکانیکی دقیق با تمام ابعاد حیاتی بر حسب میلی‌متر ارائه شده است. این شامل طول کلی، عرض، ارتفاع، فاصله پایه‌ها، قطر پایه و ابعاد سوراخ نصب در زبانه می‌شود. رعایت این ابعاد برای طراحی صحیح جای پای PCB و مونتاژ مکانیکی ضروری است.

4.3 طرح پیشنهادی پد PCB

یک طرح جای پای پیشنهادی برای نصب سطحی پایه‌ها (پس از فرم‌دهی) گنجانده شده است که اندازه، شکل و فاصله پد را برای اطمینان از لحیم‌کاری قابل اعتماد و استحکام مکانیکی مشخص می‌کند.

5. دستورالعمل‌های مونتاژ و جابجایی

5.1 گشتاور نصب

گشتاور نصب مشخص شده برای پیچ مورد استفاده برای اتصال قطعه به هیت‌سینک برای پیچ M3 یا 6-32 برابر با 8.8 نیوتن متر (یا معادل آن بر حسب پوند-اینچ) است. اعمال گشتاور صحیح، تماس حرارتی بهینه را بدون آسیب به بسته‌بندی تضمین می‌کند.

5.2 شرایط نگهداری

قطعات باید در محدوده دمای نگهداری مشخص شده 55- تا 175+ درجه سانتی‌گراد در یک محیط خشک و غیرخورنده نگهداری شوند. احتیاط‌های استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) باید در حین جابجایی رعایت شود، زیرا سد شاتکی به آسیب الکترواستاتیک حساس است.

6. توصیه‌های کاربردی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

• اصلاح ضریب توان (PFC):به عنوان دیود بوست در مدارهای PFC حالت هدایت پیوسته (CCM) استفاده می‌شود. سوئیچینگ سریع و QC کم آن، تلفات خاموش‌شدن را به حداقل می‌رساند و اجازه فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر را می‌دهد که اندازه اجزای مغناطیسی را کاهش می‌دهد.
• اینورترهای خورشیدی:در مرحله بوست یا در داخل پل اینورتر به کار می‌رود. بازدهی بالا تلفات توان را کاهش می‌دهد و قابلیت دمای بالا، قابلیت اطمینان را در محیط‌های بیرونی بهبود می‌بخشد.
• درایوهای موتور:در موقعیت‌های دیود آزادگرد یا کلیپ در پل‌های اینورتر هدایت کننده موتورها استفاده می‌شود. عدم وجود جریان بازیابی معکوس، اسپایک‌های ولتاژ و EMI را کاهش می‌دهد و بازدهی درایو را بهبود می‌بخشد.
• منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) و منبع تغذیه مراکز داده:مزایای مشابه در مراحل تبدیل قدرت با چگالی بالا و بازدهی بالا این سیستم‌ها اعمال می‌شود.

6.2 ملاحظات حیاتی طراحی

• هیت‌سینک:به دلیل قابلیت اتلاف توان بالا، هیت‌سینک مناسب برای کار در جریان‌های بالا اجباری است. مقاومت حرارتی از کیس به محیط (RθCA) ارائه شده توسط هیت‌سینک باید بر اساس حداکثر دمای محیط، تلفات توان و حاشیه دمای پیوند مورد نظر محاسبه شود.
• موازی کردن قطعات:ضریب دمای مثبت VF، تسهیم جریان را هنگامی که چندین دیود به صورت موازی متصل می‌شوند، آسان می‌کند. با این حال، برای تسهیم بهینه، چیدمان دقیق برای اطمینان از سیم‌پیچی و مقاومت پارازیتی متقارن همچنان توصیه می‌شود.
• مدارهای اسنابر:در حالی که دیود اساساً بازیابی معکوس ندارد، سیم‌پیچی پارازیتی مدار همچنان می‌تواند باعث افزایش ولتاژ بیش از حد در حین خاموش‌شدن شود. مدارهای اسنابر یا چیدمان دقیق برای به حداقل رساندن سیم‌پیچی حلقه ممکن است در کاربردهای با di/dt بسیار بالا ضروری باشد.
• ملاحظات درایو گیت (برای سوئیچ‌های مرتبط):سوئیچینگ سریع این دیود می‌تواند منجر به di/dt و dv/dt بالا شود که ممکن است باعث کوپلینگ نویز به مدارهای درایو گیت شود. شیلدینگ مناسب و چیدمان درایو گیت مهم هستند.

7. مقایسه فنی و مزایا

در مقایسه با دیودهای بازیابی سریع سیلیکونی استاندارد (FRDs) یا حتی دیودهای شاتکی سد پیوندی سیلیکون کارباید (JBS)، این دیود شاتکی SiC مزایای متمایزی ارائه می‌دهد:

• بازیابی معکوس صفر:سد شاتکی یک قطعه حامل اکثریت است که زمان ذخیره حامل اقلیت و جریان بازیابی معکوس مرتبط (Qrr) و تلفات مشاهده شده در دیودهای پیوند PN را حذف می‌کند. این مهم‌ترین مزیت آن است.
• دمای عملیاتی بالاتر:ماده SiC اجازه حداکثر دمای پیوند 175 درجه سانتی‌گراد را می‌دهد که بالاتر از دیودهای سیلیکونی معمولی است و امکان کار در محیط‌های سخت‌تر یا با هیت‌سینک‌های کوچکتر را فراهم می‌کند.
• افت ولتاژ مستقیم کمتر:در جریان‌های عملیاتی معمولی، VF کمتر از FRDهای سیلیکونی با رتبه ولتاژ قابل مقایسه است که تلفات هدایت را کاهش می‌دهد.
• قابلیت فرکانس سوئیچینگ بالاتر:ترکیب QC کم و عدم Qrr، امکان عملکرد کارآمد در فرکانس‌های بسیار بالاتر را فراهم می‌کند که مستقیماً منجر به اجزای غیرفعال کوچکتر (سلف‌ها، خازن‌ها) و افزایش چگالی توان می‌شود.

8. پرسش‌های متداول (FAQs)

8.1 منظور از "بدون تلفات سوئیچینگ" چیست؟

این به تلفات بازیابی معکوس ناچیز اشاره دارد. در حالی که هنوز تلفات سوئیچینگ خازنی (مرتبط با QC و EC) وجود دارد، عدم کامل تلفات بازیابی معکوس بسیار بزرگتر مرتبط با دیودهای سیلیکونی به این معنی است که کل تلفات سوئیچینگ به شدت کمتر است، اغلب یک مرتبه قدر کمتر.

8.2 چرا بدنه به کاتد متصل است؟

این یک طراحی رایج در بسته‌بندی‌های قدرت برای ساده‌سازی اتصال داخلی و بهبود عملکرد حرارتی است. این بدان معناست که هیت‌سینک باید از بقیه سیستم از نظر الکتریکی عایق شود مگر اینکه عمداً در پتانسیل کاتد نگه داشته شود. واشرهای عایق و ماده رابط حرارتی با استحکام دی‌الکتریک بالا مورد نیاز است.

8.3 چگونه تلفات توان در این دیود را محاسبه کنم؟

کل تلفات توان (PD) مجموع تلفات هدایت و تلفات سوئیچینگ است. تلفات هدایت = IF(AVG) * VF. تلفات سوئیچینگ ≈ (1/2) * C * V^2 * f (برای تلفات خازنی)، که در آن C ظرفیت خازنی مؤثر، V ولتاژ مسدودکننده و f فرکانس سوئیچینگ است. جزء تلفات Qrr صفر است.

8.4 آیا می‌توانم این دیود را مستقیماً جایگزین یک دیود سیلیکونی کنم؟

از نظر الکتریکی، از نظر رتبه ولتاژ و جریان، اغلب بله. با این حال، سوئیچینگ سریع‌تر می‌تواند پارازیتیک‌های مدار را آشکار کند و به طور بالقوه باعث اسپایک‌های ولتاژ بالاتر شود. درایو گیت قطعه سوئیچینگ مرتبط (مانند MOSFET) ممکن است نیاز به بررسی برای مصونیت در برابر نویز داشته باشد. طراحی حرارتی نیز باید مجدداً ارزیابی شود زیرا پروفایل تلفات متفاوت است.

9. مطالعه موردی طراحی و کاربرد

سناریو:ارتقای مرحله بوست اصلاح ضریب توان (PFC) حالت هدایت پیوسته (CCM) 2 کیلووات از یک دیود فوق سریع سیلیکونی به این دیود شاتکی SiC. طراحی اصلی در 100 کیلوهرتز کار می‌کند.

تحلیل:دیود سیلیکونی دارای Qrr 50 نانوکولن و VF 1.8 ولت بود. تلفات سوئیچینگ قابل توجه بود. با جایگزینی آن با دیود SiC (QC=15nC، VF=1.48V)، بهبودهای زیر حاصل می‌شود:

1. کاهش تلفات سوئیچینگ:تلفات Qrr حذف می‌شود. تلفات سوئیچینگ خازنی به دلیل QC کمتر کاهش می‌یابد.
2. کاهش تلفات هدایت:VF کمتر، تلفات هدایت را برای همان جریان متوسط تقریباً 18٪ کاهش می‌دهد.
3. افزایش پتانسیل فرکانس:کل تلفات سوئیچینگ به شدت کمتر به طراح اجازه می‌دهد تافرکانس سوئیچینگ را افزایش دهدبه 200-300 کیلوهرتز. این اندازه و وزن سلف بوست و اجزای فیلتر EMI را تقریباً 50٪ کاهش می‌دهد و مستقیماً به "افزایش چگالی توان" دست می‌یابد.
4. مدیریت حرارتی:کل تلفات توان در دیود کمتر است. این در ترکیب با رتبه دمای پیوند بالاتر آن، می‌تواند اجازه کاهش اندازه هیت‌سینک ("کاهش نیاز به هیت‌سینک") را بدهد و به صرفه‌جویی بیشتر در هزینه و فضا منجر شود.

نتیجه:بازدهی سیستم در بار کامل 1-2٪ بهبود می‌یابد، چگالی توان افزایش می‌یابد و هزینه سیستم ممکن است به دلیل اجزای مغناطیسی و خنک‌کننده کوچکتر کاهش یابد.

10. معرفی اصل عملکرد

یک دیود شاتکی توسط یک پیوند فلز-نیمه‌هادی تشکیل می‌شود، برخلاف پیوند نیمه‌هادی P-N یک دیود استاندارد. در این دیود شاتکی SiC، یک تماس فلزی مستقیماً به سیلیکون کارباید نوع n ایجاد می‌شود. این یک سد شاتکی ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد جریان به راحتی در جهت مستقیم هنگامی که یک بایاس مثبت به فلز (آند) نسبت به نیمه‌هادی (کاتد) اعمال می‌شود، جریان یابد.

تفاوت عملیاتی کلیدی در بازیابی معکوس نهفته است. در یک دیود PN، خاموش کردن آن نیاز به حذف حامل‌های اقلیت ذخیره شده (فرآیندی به نام بازیابی معکوس) دارد که زمان می‌برد و یک پالس جریان معکوس قابل توجه ایجاد می‌کند. در یک دیود شاتکی، جریان فقط توسط حامل‌های اکثریت (الکترون‌ها در SiC نوع n) حمل می‌شود. هنگامی که ولتاژ معکوس می‌شود، این حامل‌ها تقریباً به طور آنی جارو می‌شوند و در نتیجه هیچ زمان ذخیره حامل اقلیتی وجود ندارد و بنابراین "بازیابی معکوس صفر" رخ می‌دهد. این اصل بنیادی است که سوئیچینگ پرسرعت و تلفات سوئیچینگ کم را ممکن می‌سازد.

11. روندهای فناوری

قطعات قدرت سیلیکون کارباید نمایانگر یک روند اصلی در الکترونیک قدرت هستند که انتقال از اجزای مبتنی بر سیلیکون سنتی را ممکن می‌سازند. محرک‌های بازار، فشار جهانی برای بازدهی انرژی بالاتر، افزایش چگالی توان و الکتریکی شدن حمل‌ونقل و صنعت هستند.

تکامل دیودهای شاتکی SiC بر چندین حوزه کلیدی متمرکز است: کاهش بیشتر مقاومت روشنی ویژه (که به VF کمتر ترجمه می‌شود)، بهبود قابلیت اطمینان و پایداری رابط فلز-نیمه‌هادی شاتکی در دمای بالا، افزایش رتبه ولتاژ به 1.2 کیلوولت، 1.7 کیلوولت و فراتر از آن برای کاربردهای ولتاژ متوسط، و کاهش ظرفیت خازنی قطعه (Coss، QC) برای فعال کردن فرکانس‌های سوئیچینگ چند مگاهرتزی. ادغام روند دیگری است، با بسته‌بندی مشترک دیودهای شاتکی SiC با MOSFETهای SiC در ماژول‌ها برای ایجاد مراحل قدرت بسیار کارآمد و سریع‌سوئیچ. با افزایش حجم تولید و کاهش هزینه‌ها، فناوری SiC به طور پیوسته از کاربردهای پریمیوم به محصولات تبدیل قدرت جریان اصلی در حال حرکت است.