Fiche technique de diode Schottky SiC TO-220-2L - 650V 4A - Boîtier 15,6x9,99x4,5mm - Document technique français

1. Vue d'ensemble du produit

Ce document détaille les spécifications d'une diode à barrière Schottky en carbure de silicium (SiC) haute performance. Le composant est conçu pour les applications d'électronique de puissance nécessitant un rendement élevé, un fonctionnement à haute fréquence et des performances thermiques supérieures. Conditionné dans un boîtier standard TO-220-2L, il offre une solution robuste pour les circuits de conversion de puissance exigeants.

L'avantage fondamental de cette diode réside dans l'utilisation de la technologie au carbure de silicium, qui procure intrinsèquement une chute de tension directe plus faible et une charge de recouvrement inverse quasi nulle par rapport aux diodes à jonction PN en silicium traditionnelles. Cela se traduit directement par des pertes en conduction et en commutation réduites, permettant un rendement système et une densité de puissance plus élevés.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques électriques

Les paramètres électriques clés définissent les limites de fonctionnement et les performances du composant.

• Tension inverse de crête répétitive (VRRM) :650 V. Il s'agit de la tension inverse instantanée maximale que la diode peut supporter de manière répétée.
• Courant direct continu (IF) :4 A. Le courant continu maximal que le composant peut conduire en continu, limité par ses caractéristiques thermiques.
• Tension directe (VF) :Typiquement 1,4 V à IF=4 A et Tj=25°C, avec un maximum de 1,75 V. Cette faible VF est une caractéristique de la technologie Schottky SiC, minimisant les pertes en conduction.
• Courant inverse (IR) :Typiquement 1 µA à VR=520 V et Tj=25°C. Ce faible courant de fuite contribue à un rendement élevé à l'état bloqué.
• Charge capacitive totale (QC) :6,4 nC (Typique) à VR=400 V. C'est un paramètre critique pour le calcul des pertes en commutation, représentant la charge qui doit être fournie/évacuée à chaque cycle de commutation. La faible valeur permet une commutation à haute vitesse.

2.2 Valeurs maximales et caractéristiques thermiques

Les valeurs maximales absolues définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents peuvent survenir.

• Courant direct de surintensité non répétitif (IFSM) :19 A pour une impulsion demi-sinus de 10 ms à Tc=25°C. Cette valeur indique la capacité du composant à gérer des événements de courant de court-circuit ou d'appel.
• Température de jonction (TJ) :Maximum 175°C. La limite supérieure pour un fonctionnement fiable.
• Puissance totale dissipée (PD) :33 W à Tc=25°C. C'est la puissance maximale que le boîtier peut dissiper dans des conditions de refroidissement idéales à cette température de boîtier.
• Résistance thermique, jonction-boitier (RθJC) :4,5°C/W (Typique). Cette faible résistance thermique est cruciale pour un transfert de chaleur efficace de la puce de silicium vers le dissipateur thermique via le boîtier, permettant une gestion de puissance plus élevée.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques essentielles pour la conception et la simulation.

• Caractéristiques VF-IF :Ce graphique montre la relation entre la tension directe et le courant direct à différentes températures de jonction. Il est utilisé pour calculer les pertes en conduction (Pcond = VF * IF).
• Caractéristiques VR-IR :Illustre le courant de fuite inverse en fonction de la tension inverse et de la température, important pour évaluer les pertes à l'état bloqué.
• Caractéristiques VR-Ct :Montre comment la capacité de jonction de la diode varie avec la tension inverse appliquée. Cette capacité non linéaire impacte la vitesse de commutation et les oscillations.
• Caractéristiques Maximum Ip – TC :Représente la déclassement du courant direct admissible en fonction de la température de boîtier.
• Courbe de déclassement de la puissance dissipée :Montre comment la puissance maximale dissipable autorisée diminue lorsque la température de boîtier augmente.
• Caractéristiques IFSM – PW :Fournit la capacité de courant de surintensité pour différentes largeurs d'impulsion, essentielle pour la sélection des fusibles et la conception de la protection contre les surcharges.
• Caractéristiques EC-VR :Trace l'énergie capacitive stockée (EC) en fonction de la tension inverse, dérivée de la courbe de capacité, utilisée pour l'analyse des pertes en commutation.
• Courbe d'impédance thermique transitoire :Critique pour évaluer les performances thermiques lors de courtes impulsions de puissance, où l'inertie thermique du boîtier devient significative.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dessin et dimensions du boîtier

Le composant utilise le boîtier traversant standard TO-220-2L (2 broches). Les dimensions clés incluent :

• Longueur totale (D) : 15,6 mm (Typique)
• Largeur totale (E) : 9,99 mm (Typique)
• Hauteur totale (A) : 4,5 mm (Typique)
• Pas des broches (e1) : 5,08 mm (Base)
• Distance des trous de fixation (E3) : 8,70 mm (Référence)
• Diamètre du trou de fixation : 1,70 mm (Référence)

Le boîtier est conçu pour un montage facile sur un dissipateur thermique à l'aide d'une vis M3 ou 6-32, avec un couple de serrage maximal spécifié de 8,8 N·m.

4.2 Configuration des broches et identification de la polarité

Le brochage est simple :

• Broche 1 :Cathode (K)
• Broche 2 :Anode (A)
• Boîtier (patte) :Électriquement connecté à la Cathode (K). Cette connexion est vitale à la fois pour la conception du circuit électrique et la gestion thermique, car la patte est typiquement utilisée pour le refroidissement.

Un dessin de pastille recommandé pour les broches en montage en surface est également fourni pour référence de conception de CI.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Bien que des profils de refusion spécifiques ne soient pas détaillés dans cet extrait, les considérations générales pour les boîtiers TO-220 s'appliquent :

• Manipulation :Observer les précautions standard contre les décharges électrostatiques (ESD) comme pour tous les composants semi-conducteurs.
• Montage :Appliquer un matériau d'interface thermique (graisse ou pastille) entre la patte du boîtier et le dissipateur thermique pour minimiser la résistance thermique. Respecter le couple maximal spécifié de 8,8 N·m pour éviter d'endommager le boîtier ou le CI.
• Soudure :Pour le montage traversant, des techniques de soudure standard à la vague ou manuelle peuvent être utilisées. Les broches sont adaptées au sertissage. Le dessin de pastille recommandé doit être suivi pour une formation optimale du joint de soudure et une résistance mécanique.
• Stockage :Stocker dans un environnement sec, anti-statique, dans la plage de température de stockage spécifiée de -55°C à +175°C.

6. Suggestions d'application

6.1 Circuits d'application typiques

La fiche technique liste explicitement plusieurs applications clés où les avantages des diodes Schottky SiC sont les plus prononcés :

• Correction du facteur de puissance (PFC) dans les alimentations à découpage (SMPS) :La haute vitesse de commutation et la faible Qc réduisent significativement les pertes en commutation dans la diode de boost des étages PFC, améliorant le rendement global, surtout aux hautes fréquences de ligne.
• Onduleurs solaires :Utilisée dans les chemins de redressement de sortie ou de roue libre pour minimiser les pertes, augmentant la récolte d'énergie des panneaux photovoltaïques.
• Alimentations sans interruption (ASI) :Améliore le rendement dans les sections onduleur/chargeur, conduisant à des coûts d'exploitation plus bas et des besoins de refroidissement réduits.
• Variateurs de moteur :Sert de diode de roue libre dans les ponts onduleurs, permettant des fréquences de commutation plus élevées pour un fonctionnement plus silencieux du moteur et un meilleur contrôle.
• Alimentations pour centres de données :La recherche d'un haut rendement (ex : 80 Plus Titanium) dans les alimentations de serveurs rend les caractéristiques à faibles pertes de cette diode très précieuses.

6.2 Considérations de conception

• Gestion thermique :La faible RθJC permet un refroidissement efficace, mais un dissipateur thermique correctement dimensionné reste essentiel pour maintenir la température de jonction en dessous de 175°C dans les pires conditions de fonctionnement. Utiliser la courbe de déclassement de la puissance dissipée pour la conception.
• Comportement en commutation :Bien que les pertes de recouvrement soient négligeables, le comportement capacitif en commutation (défini par Qc) nécessite encore une attention. La faible Qc minimise les pertes à l'amorçage dans l'interrupteur opposé dans une configuration en pont.
• Fonctionnement en parallèle :Le coefficient de température positif de la tension directe (VF augmente avec la température) facilite le partage du courant lorsque plusieurs diodes sont mises en parallèle, aidant à prévenir l'emballement thermique.
• Circuits d'amortissement (snubber) :En raison de la commutation très rapide, une attention doit être portée à l'inductance parasite dans la disposition du circuit pour minimiser les dépassements de tension et les oscillations. Un circuit d'amortissement RC peut être nécessaire selon la disposition.

7. Comparaison technique et avantages

Comparée aux diodes de redressement rapide (FRD) en silicium standard ou même aux diodes de redressement ultra-rapides (UFRD), cette diode Schottky SiC offre des avantages distincts :

• Charge de recouvrement inverse (Qrr) essentiellement nulle :Contrairement aux diodes à jonction PN, les diodes Schottky sont des dispositifs à porteurs majoritaires. Elles n'ont pas de charge minoritaire stockée qui doit être récupérée lors du passage de la polarisation directe à inverse. Cela élimine les pertes par recouvrement inverse et le bruit associé.
• Chute de tension directe plus faible :Aux courants de fonctionnement typiques, la VF de cette diode SiC est compétitive ou inférieure à celle des diodes Schottky en silicium haute tension, généralement limitées en dessous de 200 V.
• Fonctionnement à haute température :Les propriétés du matériau carbure de silicium permettent un fonctionnement fiable à des températures de jonction plus élevées (175°C max) par rapport à de nombreuses alternatives en silicium.
• Capacité en fréquence :La combinaison d'une faible Qc et d'une Qrr nulle permet un fonctionnement à des fréquences de commutation beaucoup plus élevées, permettant des composants magnétiques (inductances, transformateurs) et des condensateurs plus petits dans le système.

8. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

8.1 Quel est le principal avantage de la spécification Qc faible (6,4 nC) ?

La faible Charge Capacitive Totale (Qc) se traduit directement par des pertes en commutation plus basses. À chaque cycle de commutation, l'énergie nécessaire pour charger et décharger la capacité de jonction de la diode (E = 1/2 * C * V^2, ou équivalemment liée à Qc) est perdue. Une Qc plus faible signifie moins d'énergie gaspillée par cycle, permettant un fonctionnement à fréquence plus élevée avec un meilleur rendement.

8.2 Le boîtier est connecté à la cathode. Comment cela affecte-t-il ma conception ?

Cette connexion est cruciale pour deux raisons :Électriquement :Le dissipateur thermique sera au potentiel de la cathode. Vous devez vous assurer que le dissipateur thermique est correctement isolé des autres composants ou de la masse du châssis si la cathode n'est pas à la masse dans votre circuit. Des rondelles et des entretoises isolantes sont typiquement requises.Thermiquement :Elle fournit un excellent chemin thermique à faible impédance de la puce de silicium (jonction) vers le dissipateur thermique externe via la patte métallique, ce qui est essentiel pour dissiper la chaleur.

8.3 Puis-je utiliser cette diode pour remplacer une diode en silicium de même tension/courant nominal ?

Souvent, oui, mais un remplacement direct peut ne pas donner des résultats optimaux. La diode SiC fonctionnera probablement plus froide en raison de pertes plus faibles. Cependant, vous devez réévaluer : 1)Amortissement/Oscillations :La commutation plus rapide peut exciter davantage les inductances parasites, nécessitant potentiellement des modifications de disposition ou un circuit d'amortissement. 2)Commande de grille :Si vous remplacez une diode de roue libre dans un pont, l'interrupteur opposé peut subir des pointes de courant d'amorçage plus élevées en raison de la capacité de la diode (bien qu'il n'y ait pas de recouvrement inverse). La capacité du pilote doit être vérifiée. 3)Conception thermique :Bien que les pertes soient plus faibles, vérifiez les nouveaux calculs de pertes et assurez-vous que le dissipateur thermique est toujours adéquat, même s'il peut maintenant être surdimensionné.

9. Étude de cas pratique de conception

Scénario :Conception d'un étage de Correction du Facteur de Puissance (PFC) boost de 500 W, 100 kHz avec une sortie de 400 VCC.

Raisonnement de sélection :La diode de boost dans un circuit PFC fonctionne en mode de conduction continue (CCM) à haute fréquence. Une diode ultra-rapide en silicium 600 V standard pourrait avoir une Qrr de 50-100 nC et une Vf de 1,7-2,0 V. Les pertes en commutation (proportionnelles à Qrr * Vout * fsw) et les pertes en conduction (Vf * Iavg) seraient significatives.

Utilisation de cette diode Schottky SiC :

• Pertes en commutation :La perte par recouvrement inverse est éliminée. La perte capacitive de commutation restante est basée sur Qc=6,4 nC, ce qui est un ordre de grandeur inférieur à la Qrr de la diode en silicium.
• Pertes en conduction :Avec une Vf typique de 1,4 V contre 1,8 V, la perte en conduction est réduite de plus de 20 %.
• Résultat :La perte totale de la diode est drastiquement réduite. Cela permet soit : a) Un rendement système plus élevé, répondant à des normes plus strictes comme 80 Plus Titanium, soit b) Un fonctionnement à une fréquence de commutation encore plus élevée (ex : 150-200 kHz), permettant l'utilisation d'une inductance de boost plus petite et légère. La réduction de la génération de chaleur simplifie également la gestion thermique, permettant potentiellement un dissipateur thermique plus petit.

10. Introduction au principe de fonctionnement

Une diode à barrière Schottky est formée par une jonction métal-semi-conducteur, contrairement à la jonction semi-conducteur P-N d'une diode standard. Dans cette diode Schottky SiC, un contact métallique est réalisé avec du carbure de silicium (spécifiquement, du SiC de type N).

La différence fondamentale réside dans le transport de charge. Dans une diode PN, la conduction directe implique l'injection de porteurs minoritaires (trous dans le côté N, électrons dans le côté P) qui sont stockés. Lorsque la tension s'inverse, ces porteurs stockés doivent être éliminés (recombinés ou évacués) avant que la diode puisse bloquer la tension, provoquant le courant et la perte de recouvrement inverse.

Dans une diode Schottky, la conduction se produit via le flux de porteurs majoritaires (électrons dans le N-SiC) par-dessus la barrière métal-semi-conducteur. Aucun porteur minoritaire n'est injecté et stocké. Par conséquent, lorsque la tension appliquée s'inverse, la diode peut cesser de conduire presque instantanément car les électrons sont simplement tirés en arrière. Cela se traduit par le temps et la charge de recouvrement inverse (Qrr) caractéristiques quasi nuls. Le substrat en carbure de silicium fournit les propriétés matérielles nécessaires pour atteindre une tension de claquage élevée (650 V) tout en maintenant une chute de tension directe relativement faible et une excellente conductivité thermique.

11. Tendances technologiques

Les composants de puissance en carbure de silicium (SiC) représentent une tendance significative en électronique de puissance, poussée par la demande mondiale pour un rendement, une densité de puissance et une fiabilité plus élevés. Les tendances clés incluent :

• Évolution des tensions :Alors que 650 V est une tension courante pour des applications comme le PFC et le solaire, les diodes Schottky SiC sont maintenant couramment disponibles à 1200 V et 1700 V, concurrençant directement les diodes de roue libre des IGBT en silicium et permettant de nouvelles applications dans les onduleurs de traction pour véhicules électriques et les entraînements industriels.
• Intégration :Il y a une tendance à co-emballer des diodes Schottky SiC avec des MOSFETs en silicium ou SiC dans des modules de puissance communs, créant des blocs de construction "demi-pont" ou "pont complet" optimisés qui minimisent l'inductance parasite.
• Réduction des coûts :À mesure que la fabrication des wafers augmente et que la densité des défauts diminue, le surcoût du SiC par rapport au silicium continue de diminuer, accélérant l'adoption dans des applications de grande série sensibles au coût comme les alimentations grand public et l'automobile.
• Technologie complémentaire :Le développement des MOSFETs et JFETs SiC est synergique. Utiliser une diode Schottky SiC comme diode de roue libre ou de boost aux côtés d'un interrupteur SiC crée un étage de puissance tout-SiC capable de fonctionner à des fréquences et températures très élevées avec des pertes minimales.

Le composant décrit dans cette fiche technique est un élément fondamental dans ce changement technologique plus large vers les semi-conducteurs à large bande interdite dans la conversion de puissance.