دیتاشیت دیود شاتکی SiC بسته‌بندی TO-252-3L - 650 ولت، 20 آمپر، 1.5 ولت - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

این سند مشخصات یک دیود مانع شاتکی (SBD) با عملکرد بالا از جنس سیلیکون کارباید (SiC) در بسته‌بندی سطح‌نصب TO-252-3L (DPAK) را به تفصیل شرح می‌دهد. این قطعه برای کاربردهای تبدیل قدرت با ولتاژ و فرکانس بالا طراحی شده است که در آن‌ها بازدهی، چگالی توان و مدیریت حرارتی از اهمیت حیاتی برخوردار است. با بهره‌گیری از فناوری SiC، این دیود در مقایسه با دیودهای پیوند PN سیلیکونی سنتی، مشخصات سوئیچینگ برتری ارائه می‌دهد که منجر به بهبودهای قابل توجه در سطح سیستم می‌شود.

مزیت اصلی این دیود شاتکی SiC در بار بازیابی معکوس نزدیک به صفر آن نهفته است که عملاً تلفات سوئیچینگ مرتبط با خاموش شدن دیود را حذف می‌کند. این ویژگی برای افزایش فرکانس‌های سوئیچینگ در منابع تغذیه و اینورترها بسیار مهم است و امکان استفاده از قطعات غیرفعال کوچکتر مانند سلف‌ها و خازن‌ها را فراهم می‌کند و در نتیجه چگالی توان کلی را افزایش می‌دهد. افت ولتاژ مستقیم پایین نیز به کاهش تلفات هدایت کمک می‌کند و بازدهی سیستم را در محدوده دمای کاری بهبود می‌بخشد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مشخصات الکتریکی

این قطعه برای حداکثر ولتاژ معکوس پیک تکراری (VRRM) 650 ولت درجه‌بندی شده است که آن را برای کاربردهای متصل به برق متناوب جهانی (85-265 ولت AC) با حاشیه طراحی کافی مناسب می‌سازد. درجه‌بندی جریان مستقیم پیوسته (IF) 20 آمپر است که در دمای کیس (TC) 25 درجه سانتی‌گراد تعیین شده است. توجه به این نکته بسیار مهم است که این درجه‌بندی جریان از نظر حرارتی محدود است و با افزایش دمای پیوند، مطابق بخش مشخصات حرارتی، کاهش می‌یابد.

یک پارامتر عملکرد کلیدی برای دیودهای سوئیچینگ، بار خازنی کل (Qc) است. این قطعه یک مقدار معمول Qc برابر با 30 نانوکولن در ولتاژ معکوس (VR) 400 ولت و دمای پیوند (Tj) 25 درجه سانتی‌گراد را مشخص می‌کند. این مقدار کم، بار ذخیره شده ناچیز را تأیید می‌کند که مستقیماً به تلفات سوئیچینگ پایین و امکان کار در فرکانس‌های بالا منجر می‌شود. ولتاژ مستقیم (VF) حداکثر 1.85 ولت در هنگام عبور جریان 16 آمپر در 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده است که در حداکثر دمای پیوند 175 درجه سانتی‌گراد به مقدار معمول 1.9 ولت افزایش می‌یابد. این ضریب دمایی مثبت VF یک ویژگی مفید دیودهای شاتکی SiC است که تقسیم جریان را تسهیل کرده و از فرار حرارتی هنگام کار موازی چندین قطعه جلوگیری می‌کند.

جریان نشتی معکوس (IR) به طور استثنایی پایین است و حداکثر 120 میکروآمپر در 520 ولت و 25 درجه سانتی‌گراد می‌باشد. این نشتی کم به بازدهی بالا، به ویژه در شرایط آماده‌به‌کار یا بار سبک کمک می‌کند.

2.2 مشخصات حرارتی

مدیریت حرارتی مؤثر برای عملکرد قابل اطمینان ضروری است. معیار حرارتی اولیه مقاومت حرارتی پیوند به کیس (RθJC) است که مقدار معمول آن 3.6 درجه سانتی‌گراد بر وات مشخص شده است. این مقدار پایین نشان‌دهنده انتقال حرارت کارآمد از پیوند نیمه‌هادی به بدنه بسته‌بندی است که اجازه می‌دهد گرما از طریق یک هیت‌سینک خارجی متصل به زبانه به طور مؤثری دفع شود. حداکثر دمای مجاز پیوند (Tj) 175 درجه سانتی‌گراد است و قطعه می‌تواند در محدوده دمایی 55- درجه تا 175+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود.

توان تلف شده کل (PD) در TC=25 درجه سانتی‌گراد 50 وات درجه‌بندی شده است. در کاربردهای عملی، توان تلف شده مجاز واقعی بر اساس حداکثر دمای پیوند، مقاومت حرارتی (پیوند به محیط، RθJA، که شامل مقاومت‌های کیس به هیت‌سینک و هیت‌سینک به محیط می‌شود) و دمای محیط محاسبه می‌شود. منحنی‌های ارائه شده "توان تلف شده" و "مقاومت حرارتی گذرا" برای طراحی در شرایط اضافه‌بار گذرا و تعیین مناطق عملیاتی ایمن حیاتی هستند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

3.1 مشخصات جریان مستقیم (VF-IF)

منحنی مشخصه VF-IF رابطه بین افت ولتاژ مستقیم و جریان مستقیم را در دماهای مختلف پیوند نشان می‌دهد. همانطور که برای یک دیود شاتکی انتظار می‌رود، این منحنی یک ولتاژ زانو پایین‌تر در مقایسه با دیودهای PN سیلیکونی نشان می‌دهد. منحنی همچنین ضریب دمایی مثبت را نشان می‌دهد، جایی که VF با افزایش Tj برای یک جریان معین افزایش می‌یابد. این نمودار برای محاسبه تلفات هدایت (Ploss = VF * IF) در شرایط عملیاتی مختلف ضروری است.

3.2 مشخصات معکوس و ظرفیت خازنی

منحنی VR-IR جریان نشتی معکوس بسیار کم را در محدوده ولتاژ تا ولتاژ مسدودکننده نشان می‌دهد. منحنی VR-Ct ظرفیت خازنی پیوند را به عنوان تابعی از بایاس معکوس نمایش می‌دهد. ظرفیت خازنی با افزایش ولتاژ معکوس کاهش می‌یابد (از حدود 513 پیکوفاراد در 1 ولت تا حدود 46 پیکوفاراد در 400 ولت)، که مشخصه عرض ناحیه تخلیه وابسته به ولتاژ است. ظرفیت خازنی کم و وابسته به ولتاژ بر سرعت سوئیچینگ و پارامتر Qc تأثیر می‌گذارد.

3.3 عملکرد جریان لحظه‌ای و گذرا

نمودار "مشخصات حداکثر Ip – TC" جریان لحظه‌ای غیرتکراری مجاز (IFSM) را به عنوان تابعی از دمای کیس تعریف می‌کند. این قطعه می‌تواند یک جریان لحظه‌ای 26 آمپری (نیم‌موج سینوسی، مدت 10 میلی‌ثانیه) را در 25 درجه سانتی‌گراد تحمل کند. نمودار "مشخصات IFSM – PW" به طور جزئی‌تر قابلیت جریان لحظه‌ای در مقابل عرض پالس را شرح می‌دهد که برای طراحی محافظت در برابر جریان‌های هجومی یا شرایط خطا حیاتی است. منحنی "مشخصات EC-VR" انرژی خازنی ذخیره شده (EC) را در مقابل ولتاژ معکوس ترسیم می‌کند که برای درک تلفات در مدارهای تشدیدی مهم است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 طرح کلی و ابعاد بسته‌بندی

این قطعه در بسته‌بندی TO-252-3L قرار دارد. ابعاد حیاتی شامل طول کلی بسته‌بندی (E) 6.60 میلی‌متر (معمول)، عرض (D) 6.10 میلی‌متر (معمول) و ارتفاع (A) 2.30 میلی‌متر (معمول) است. فاصله پایه‌ها (e1) 2.28 میلی‌متر (پایه) می‌باشد. زبانه فلزی بزرگ (کیس) به عنوان مسیر حرارتی اولیه عمل می‌کند و از نظر الکتریکی به ترمینال کاتد متصل است. یک نقشه ابعادی دقیق با تلرانس‌ها برای طراحی جای پایه PCB ارائه شده است.

4.2 پیکربندی پایه‌ها و شناسایی قطبیت

پیکربندی پایه‌ها به وضوح تعریف شده است: پایه 1 کاتد (K)، پایه 2 آند (A) است و CASE (زبانه فلزی بزرگ) نیز به کاتد متصل است. شناسایی صحیح قطبیت در حین مونتاژ برای جلوگیری از خرابی قطعه بسیار مهم است. طرح پد PCB توصیه شده برای نصب سطحی ارائه شده است تا اطمینان حاصل شود که اتصال لحیم و اتصال حرارتی به برد به درستی تشکیل می‌شود.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

به عنوان یک قطعه سطح‌نصب، این دیود برای فرآیندهای لحیم‌کاری رفلو طراحی شده است. اگرچه پارامترهای مشخصات پروفیل رفلو (پیش‌گرم، خیساندن، دمای اوج رفلو، زمان بالاتر از نقطه مایع) در این دیتاشیت فهرست نشده‌اند، اما باید از پروفیل‌های استاندارد رفلو بدون سرب (Pb-Free) مطابق با IPC/JEDEC J-STD-020 پیروی کرد. حداکثر دمای بدنه بسته‌بندی در حین لحیم‌کاری نباید برای مدت طولانی از حداکثر دمای ذخیره‌سازی مشخص شده 175 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند. گشتاور نصب برای هر پیچ مورد استفاده با زبانه (در صورت کاربرد برای هیت‌سینک) برای پیچ‌های M3 یا 6-32 به عنوان 8.8 نیوتن-سانتی‌متر (1 پوند-اینچ) مشخص شده است.

باید اقدامات احتیاطی برای جلوگیری از تنش مکانیکی روی پایه‌ها پس از لحیم‌کاری انجام شود. قطعه باید قبل از استفاده در یک محیط خشک و ضد استاتیک نگهداری شود تا از جذب رطوبت (که می‌تواند باعث "ترکیدن" در حین رفلو شود) و آسیب تخلیه الکترواستاتیک جلوگیری شود.

6. توصیه‌های کاربردی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

این دیود شاتکی SiC برای چندین توپولوژی تبدیل قدرت با عملکرد بالا ایده‌آل است:

• اصلاح ضریب توان (PFC) در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS):به عنوان دیود بوست در مراحل PFC با حالت هدایت پیوسته (CCM) یا حالت هدایت بحرانی (CrM) استفاده می‌شود. سوئیچینگ سریع و Qc پایین آن تلفات سوئیچینگ را در فرکانس‌های خط بالا کاهش می‌دهد و بازدهی را بهبود می‌بخشد، به ویژه در ولتاژهای خط بالا.
• اینورترهای خورشیدی:در مرحله بوست اینورترهای میکرو فتوولتائیک یا اینورترهای رشته‌ای به کار می‌رود تا ولتاژها و جریان‌های بالا را با حداقل تلفات مدیریت کند و برداشت انرژی را به حداکثر برساند.
• منابع تغذیه بدون وقفه (UPS):در مرحله خروجی اینورتر یا مدارهای شارژ باتری برای سوئیچینگ فرکانس بالا با بازدهی استفاده می‌شود.
• درایوهای موتور:می‌تواند در مدارهای دیود هرزگرد یا کلمپ در درایوهای فرکانس متغیر (VFD) برای مدیریت کارآمد پس‌زدگی القایی از موتورها استفاده شود.
• منابع تغذیه مراکز داده:برای دستیابی به بازدهی بالا (مانند 80 Plus Titanium) در منابع تغذیه سرور ضروری است، جایی که هر درصد کاهش تلفات حیاتی است.

6.2 ملاحظات طراحی

طراحی حرارتی:چالش اصلی طراحی، مدیریت دمای پیوند است. از مقدار RθJC و حداکثر Tj برای محاسبه هیت‌سینک مورد نیاز استفاده کنید. زبانه فلزی باید به یک پد مسی به اندازه کافی بزرگ روی PCB لحیم شود، ترجیحاً با وایاهای حرارتی به لایه‌های داخلی یا یک صفحه پشتی، تا به عنوان هیت‌سینک عمل کند. برای کاربردهای با توان بالاتر، ممکن است نیاز به یک هیت‌سینک خارجی متصل به زبانه باشد.

کار موازی:ضریب دمایی مثبت VF تقسیم جریان بین دیودهای موازی را تسهیل می‌کند. با این حال، هنوز هم به تقارن دقیق چیدمان نیاز است تا اطمینان حاصل شود که اندوکتانس و مقاومت پارازیتی در هر شاخه برابر است و از عدم تعادل جریان در طی گذراهای سریع جلوگیری شود.

مدارهای اسنابر:اگرچه دیود دارای بار بازیابی بسیار کمی است، اما اندوکتانس و ظرفیت پارازیتی مدار همچنان می‌تواند باعث افزایش ولتاژ بیش از حد در حین خاموش شدن شود. ممکن است برای محدود کردن این پیک‌ها و اطمینان از عملکرد قابل اطمینان در محدوده حداکثر ولتاژهای درجه‌بندی شده، به مدارهای اسنابر (RC یا RCD) نیاز باشد.

ملاحظات درایو گیت (برای سوئیچ‌های مرتبط):سوئیچینگ سریع این دیود می‌تواند منجر به di/dt و dv/dt بالا شود. این ممکن است نیاز به توجه به طراحی درایو گیت ترانزیستور سوئیچینگ همراه (مانند MOSFET) داشته باشد تا از راه‌اندازی نادرست به دلیل اثر میلر یا برای مدیریت تداخل الکترومغناطیسی (EMI) جلوگیری شود.

7. مقایسه فنی و مزایا

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

• بازیابی معکوس صفر:مکانیسم مانع شاتکی هیچ حامل اقلیت ذخیره‌ای ندارد که منجر به Qc نزدیک به صفر می‌شود. این امر پیک‌های جریان بازیابی معکوس را حذف می‌کند، تلفات سوئیچینگ در خود دیود و ترانزیستور همراه را کاهش می‌دهد و EMI را به حداقل می‌رساند.
• کار در دمای بالا:خواص ماده SiC اجازه می‌دهد حداکثر دمای پیوند 175 درجه سانتی‌گراد باشد که بالاتر از دستگاه‌های سیلیکونی معمولی (150 درجه سانتی‌گراد) است و حاشیه طراحی بیشتری ارائه می‌دهد یا امکان استفاده از هیت‌سینک‌های کوچکتر را فراهم می‌کند.
• قابلیت فرکانس بالا:ترکیب Qc پایین و ظرفیت خازنی کم، امکان کار با بازدهی در فرکانس‌های سوئیچینگ تا صدها کیلوهرتز را فراهم می‌کند که از محدودیت‌های عملی دیودهای FRD سیلیکونی فراتر می‌رود.
• افزایش بازدهی:VF پایین‌تر (در مقایسه با دیودهای PN سیلیکونی در دمای بالا) و عدم وجود تلفات بازیابی مستقیماً به بازدهی بالاتر سیستم منجر می‌شود، به ویژه در شرایط بار جزئی و خط بالا.

معاوضه سنتی مرتبط با دیودهای شاتکی - ولتاژ شکست پایین‌تر - در اینجا با استفاده از SiC برطرف شده است که امکان درجه‌بندی 650 ولت مناسب برای کاربردهای برق متناوب جهانی را فراهم می‌کند.

8. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: آیا این دیود می‌تواند مستقیماً جایگزین یک دیود بازیابی سریع سیلیکونی در یک طراحی موجود شود؟

ج: اگرچه از نظر الکتریکی ممکن است یک جایگزین سازگار از نظر پایه باشد، اما بازبینی طراحی اجباری است. سوئیچینگ سریع‌تر می‌تواند پیک‌های ولتاژ ناشی از پارازیتیک‌های مدار را تشدید کند. عملکرد حرارتی نیز متفاوت خواهد بود. مقادیر اسنابر و هیت‌سینک باید مجدداً ارزیابی شوند.

س: چرا کیس به کاتد متصل است؟ آیا این نیاز به ایزوله دارد؟

ج: بله، زبانه فلزی از نظر الکتریکی فعال است (در پتانسیل کاتد). پد PCB که به آن متصل می‌شود باید روی شبکه کاتد باشد. اگر زبانه به یک هیت‌سینک خارجی متصل شود، آن هیت‌سینک باید از نظر الکتریکی از پتانسیل‌های دیگر یا شاسی سیستم ایزوله شود، مگر اینکه شاسی نیز در پتانسیل کاتد باشد.

س: درجه‌بندی جریان لحظه‌ای (IFSM) چگونه اعمال می‌شود؟

ج: درجه‌بندی IFSM معادل 26 آمپر (10 میلی‌ثانیه، نیم‌موج سینوسی) برای رویدادهای غیرتکراری مانند جریان هجومی راه‌اندازی یا پاکسازی خطا است. نباید برای محاسبه قابلیت جریان پیوسته استفاده شود. برای مدت‌های پالس دیگر باید به منحنی "IFSM – PW" مراجعه کرد.

س: اهمیت پارامتر انرژی ذخیره شده خازنی (EC) چیست؟

ج: در کاربردهایی مانند مبدل‌های تشدیدی LLC، ظرفیت خروجی دیود (Coss) در هر چرخه سوئیچینگ تخلیه می‌شود و باعث تلفات می‌شود. EC این تلفات را کمّی می‌کند. EC پایین‌تر به معنای تلفات سوئیچینگ خازنی کمتر است.

9. مطالعه موردی طراحی عملی

سناریو: طراحی یک مرحله PFC با بازدهی 80 Plus Titanium به توان 1 کیلووات برای منبع تغذیه سرور.

طراحی از یک توپولوژی حالت هدایت بحرانی (CrM) درهم‌تنیده با فرکانس سوئیچینگ 100 کیلوهرتز استفاده می‌کند. هر فاز 500 وات را مدیریت می‌کند. دیود بوست باید تا 400 ولت DC را مسدود کند و جریان پیک تقریباً 10 آمپر را حمل کند. در ابتدا یک دیود فوق سریع سیلیکونی در نظر گرفته شد اما محاسبه شد که در خط بالا بیش از 5 وات تلفات مرتبط با بازیابی در هر فاز دارد.

با جایگزینی این دیود شاتکی SiC 650 ولتی، تلفات بازیابی حذف می‌شود. تلفات باقی‌مانده عمدتاً تلفات هدایت (بر اساس VF و جریان RMS) و یک تلفات خازنی کوچک (بر اساس EC) است. محاسبه حرارتی، با استفاده از RθJC=3.6 درجه سانتی‌گراد بر وات و Tj حداکثر طراحی شده 125 درجه سانتی‌گراد، نشان می‌دهد که افزایش دمای پیوند دیود با مساحت مسی PCB به عنوان هیت‌سینک اولیه قابل مدیریت است. این جایگزینی مستقیماً به دستیابی به نیاز بازدهی >96٪ در ورودی 230 ولت AC برای استاندارد Titanium کمک می‌کند و همچنین به دلیل فرکانس سوئیچینگ بالا و تمیز، اجازه می‌دهد قطعات مغناطیسی کوچکتر باشند.

10. اصل عملکرد

یک دیود شاتکی از یک اتصال فلز-نیمه‌هادی تشکیل شده است، برخلاف اتصال نیمه‌هادی p-n یک دیود استاندارد. در این دیود شاتکی SiC، یک تماس فلزی با سیلیکون کارباید نوع n ایجاد می‌شود. این یک مانع شاتکی ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد جریان به راحتی در جهت مستقیم جریان یابد هنگامی که یک بایاس مثبت به فلز (آند) نسبت به نیمه‌هادی (کاتد) اعمال می‌شود. در بایاس معکوس، مانع گسترده می‌شود و جریان را مسدود می‌کند.

تمایز حیاتی این است که انتقال جریان توسط حامل‌های اکثریت (الکترون‌ها در SiC نوع n) غالب است. هیچ تزریق، ذخیره و حذف بعدی حامل‌های اقلیت (حفره‌ها) مانند یک دیود پیوند PN وجود ندارد. بنابراین، هنگامی که دیود از هدایت مستقیم به مسدودسازی معکوس سوئیچ می‌شود، هیچ پیک جریان بازیابی معکوس یا زمان تأخیر مرتبطی وجود ندارد. دیود تقریباً به طور آنی خاموش می‌شود و تنها توسط شارژ ظرفیت خازنی پیوند آن محدود می‌شود. این اصل اساسی منبع عملکرد سوئیچینگ پرسرعت و تلفات سوئیچینگ پایین آن است.

11. روندهای فناوری

دستگاه‌های قدرت سیلیکون کارباید نمایانگر یک روند مهم در الکترونیک قدرت هستند که امکان بازدهی، چگالی توان و دمای کاری بالاتر نسبت به دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون را فراهم می‌کنند. برای دیودها، تکامل به سمت درجه‌بندی ولتاژهای بالاتر (اکنون معمولاً 650 ولت و 1200 ولت، با ظهور 1700 ولت و 3300 ولت)، افت ولتاژ مستقیم کمتر و ظرفیت خازنی کاهش یافته است. بسته‌بندی TO-252-3L (DPAK) مورد استفاده در اینجا یک قطعه کلیدی برای قدرت سطح‌نصب است، اما یک روند موازی به سمت بسته‌بندی‌هایی با اندوکتانس حتی کمتر و عملکرد حرارتی بهتر مانند TOLL (TO بدون پایه) و D2PAK-7L برای کاربردهای با بالاترین عملکرد وجود دارد. یکپارچه‌سازی روند دیگری است، با ماژول‌های "نیم‌پل" SiC MOSFET و دیود شاتکی که با هم بسته‌بندی شده‌اند در دسترس قرار گرفته‌اند تا اندوکتانس پارازیتی در سلول‌های سوئیچینگ را به حداقل برسانند. کاهش مداوم هزینه زیرلایه‌های SiC این فناوری را برای طیف وسیع‌تری از کاربردها فراتر از منابع تغذیه سرور و مخابراتی پریمیوم، از جمله شارژرهای داخلی خودرو، درایوهای موتور صنعتی و لوازم خانگی مصرفی که به دنبال استانداردهای بازدهی بالاتر هستند، قابل دسترس می‌سازد.