Fiche technique de diode Schottky SiC TO-220-2L - 650V - 6A - Tension directe 1,5V - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Ce document détaille les spécifications d'une diode à barrière Schottky (SBD) en carbure de silicium (SiC) haute performance, logée dans un boîtier TO-220-2L. Le composant est conçu pour les applications de conversion de puissance haute tension et haute fréquence où l'efficacité, la gestion thermique et la vitesse de commutation sont critiques. La technologie SiC offre des avantages significatifs par rapport aux diodes en silicium traditionnelles, principalement grâce à ses propriétés matérielles supérieures.

L'avantage fondamental de cette diode réside dans sa construction à barrière Schottky utilisant du carbure de silicium. Contrairement aux diodes à jonction PN conventionnelles, les diodes Schottky sont des dispositifs à porteurs majoritaires, ce qui élimine fondamentalement la charge de recouvrement inverse (Qrr) et les pertes par commutation associées. Cette implémentation spécifique en SiC permet une tension de blocage élevée de 650V tout en maintenant une chute de tension directe (VF) relativement faible et une charge capacitive (Qc) minimale, permettant un fonctionnement à des fréquences bien plus élevées que les alternatives en silicium.

1.1 Caractéristiques et avantages clés

Les caractéristiques principales de cette diode se traduisent directement par des bénéfices au niveau système pour les concepteurs :

• Faible tension directe (VF = 1,5V typique à 6A) :Réduit les pertes par conduction, améliorant directement l'efficacité du système et générant moins de chaleur en fonctionnement.
• Commutation rapide sans recouvrement inverse :En tant que dispositif Schottky, il n'a pratiquement pas de temps de recouvrement inverse ni de charge (Qrr). Cela minimise les pertes par commutation, permet un fonctionnement à plus haute fréquence et réduit les interférences électromagnétiques (EMI).
• Capacité de courant de surintensité élevée (IFSM = 24A) :Offre une robustesse contre les transitoires de courant et les conditions d'appel de courant couramment rencontrées dans les alimentations et les variateurs de moteur.
• Température de jonction élevée (TJ,max = 175°C) :Permet un fonctionnement dans des environnements à température ambiante élevée ou permet l'utilisation de dissipateurs thermiques plus petits, contribuant à réduire la taille et le coût du système.
• Fonctionnement en parallèle :Le coefficient de température positif de la caractéristique de tension directe aide à prévenir l'emballement thermique, rendant plus sûr le montage en parallèle de plusieurs dispositifs pour des applications à courant plus élevé.
• Conformité environnementale :Le dispositif est sans plomb, sans halogène et conforme à la directive RoHS, répondant aux réglementations environnementales modernes.

1.2 Applications cibles

Cette diode est idéalement adaptée à un large éventail d'applications d'électronique de puissance, y compris, mais sans s'y limiter :

• Circuits de correction du facteur de puissance (PFC) dans les alimentations à découpage (SMPS) :Sa commutation rapide et sa tension nominale élevée la rendent parfaite pour les étages PFC boost, améliorant l'efficacité globale de l'alimentation et la qualité de l'énergie.
• Onduleurs solaires :Utilisée dans les positions de diode de roue libre ou de convertisseur boost pour maximiser la récolte d'énergie et l'efficacité de conversion des panneaux photovoltaïques.
• Alimentations sans interruption (ASI) :Améliore l'efficacité et la densité de puissance des étages redresseur et onduleur.
• Variateurs de moteur :Sert de diode de roue libre ou de clamp dans les ponts onduleurs, permettant une commutation plus rapide et réduisant les pertes dans les variateurs de fréquence (VFD).
• Distribution d'énergie dans les centres de données :Contribue à une efficacité plus élevée dans les alimentations de serveurs et les unités de distribution d'énergie, réduisant les coûts opérationnels et les besoins en refroidissement.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Cette section fournit une interprétation détaillée et objective des principaux paramètres électriques et thermiques spécifiés dans la fiche technique.

2.1 Valeurs maximales et limites absolues

Ce sont les limites de contrainte qui ne doivent en aucun cas être dépassées pour garantir la fiabilité et éviter des dommages permanents.

• Tension inverse de crête répétitive (VRRM) : 650V- C'est la tension inverse instantanée maximale que la diode peut supporter de manière répétée. Concevoir avec une marge de déclassement suffisante (par exemple, 20-30% en dessous de cette valeur pour la tension système maximale attendue) est crucial pour la fiabilité à long terme.
• Courant direct continu (IF) : 6A- C'est le courant continu maximal que le dispositif peut transporter en continu lorsque la température du boîtier (TC) est à 25°C. Dans les applications réelles, la température du boîtier sera plus élevée, donc le courant continu utilisable est déclassé en fonction de la résistance thermique et des conditions ambiantes (voir Caractéristiques thermiques).
• Courant direct de surintensité non répétitif (IFSM) : 24A- Cette valeur indique la capacité de la diode à supporter un courant de surintensité unique et de courte durée (onde demi-sinus de 10ms), comme lors d'un démarrage ou de conditions de défaut. C'est un paramètre clé pour la robustesse.
• Température de jonction (TJ) : 175°C- La température maximale admissible de la puce semi-conductrice elle-même. Un fonctionnement au-dessus de cette limite peut provoquer une défaillance immédiate ou une dégradation accélérée.

2.2 Caractéristiques électriques

Ce sont les paramètres de performance typiques dans des conditions de test spécifiées.

• Tension directe (VF) : 1,5V (Typ) à IF=6A, TJ=25°C- C'est un paramètre critique pour le calcul de la perte par conduction (Ploss = VF * IF). Notez que VF augmente avec la température de jonction (jusqu'à 1,9V max à 175°C), ce qui est un coefficient de température positif. Cette caractéristique facilite le partage de courant lorsque les dispositifs sont montés en parallèle.
• Courant de fuite inverse (IR) : 0,8µA (Typ) à VR=520V, TJ=25°C- C'est le faible courant qui circule lorsque la diode est polarisée en inverse. Il augmente significativement avec la température (9µA typ à 175°C), contribuant aux pertes à l'état bloqué, surtout à haute température.
• Charge capacitive totale (QC) : 10nC (Typ) à VR=400V- Ce paramètre quantifie la charge associée à la capacité de jonction de la diode. Pendant la commutation, cette charge doit être fournie ou retirée, contribuant aux pertes par commutation. La faible valeur de QC est un avantage clé des diodes Schottky SiC, permettant un fonctionnement à haute fréquence.
• Énergie stockée dans la capacité (EC) : 1,5µJ (Typ) à VR=400V- Représente l'énergie stockée dans la capacité de la diode à une tension inverse donnée (EC = 0,5 * C * V^2). Cette énergie est dissipée à chaque cycle de commutation, contribuant aux pertes.

2.3 Caractéristiques thermiques

La gestion thermique est primordiale pour un fonctionnement fiable et pour atteindre le courant nominal.

• Résistance thermique, jonction-boîtier (RθJC) : 2,1°C/W (Typ)- C'est la résistance au flux de chaleur de la jonction semi-conductrice vers l'extérieur du boîtier TO-220. Une valeur plus basse indique un meilleur transfert de chaleur depuis la puce. Ce paramètre est utilisé pour calculer l'élévation de température de la jonction au-dessus de la température du boîtier : ΔTJ = PD * RθJC, où PD est la puissance dissipée.
• Puissance totale dissipée (PD) : 71W à TC=25°C- C'est la puissance maximale que le dispositif peut dissiper lorsque le boîtier est maintenu à 25°C. En pratique, c'est une limite théorique utilisée pour le calcul du déclassement. La puissance maximale dissipée réelle est déterminée par la température de jonction maximale (175°C), la résistance thermique et la température du dissipateur/ambiante.

3. Analyse des courbes de performance

Les graphiques de performance typiques fournissent une vision visuelle du comportement du dispositif dans diverses conditions de fonctionnement.

3.1 Caractéristiques VF-IF

Ce graphique montre la relation entre la tension directe et le courant direct à différentes températures de jonction. Observations clés : La courbe est exponentielle à très faible courant et devient plus linéaire à courant plus élevé. Le coefficient de température positif est évident, car la courbe se décale vers le haut pour des températures plus élevées. Ce graphique est essentiel pour calculer les pertes par conduction précises à des points de fonctionnement spécifiques.

3.2 Caractéristiques VR-IR

Ce tracé illustre le courant de fuite inverse en fonction de la tension inverse, typiquement à plusieurs températures. Il montre comment le courant de fuite reste relativement faible jusqu'à l'approche de la région de claquage et comment il augmente exponentiellement avec la température. Cette information est vitale pour estimer les pertes à l'état bloqué dans les applications à haute température.

3.3 Caractéristiques VR-Ct

Cette courbe affiche la capacité totale de la diode (Ct) en fonction de la tension inverse (VR). La capacité diminue de manière non linéaire à mesure que la tension inverse augmente (en raison de l'élargissement de la zone de déplétion). Cette capacité variable affecte la dynamique de commutation et le paramètre QC.

3.4 Caractéristiques Ip max – TC

Cette courbe de déclassement montre comment le courant direct continu maximal admissible (IF) diminue à mesure que la température du boîtier (TC) augmente. C'est une application directe des limites thermiques : pour maintenir la jonction en dessous de 175°C, moins de courant peut être passé à mesure que le boîtier chauffe. C'est le guide principal pour la sélection du dissipateur thermique.

3.5 Impédance thermique transitoire

Ce graphique trace la résistance thermique transitoire (ZθJC) en fonction de la largeur d'impulsion. Il est crucial pour évaluer l'élévation de température pendant de courtes impulsions de courant ou des événements de commutation répétitifs. La masse thermique du boîtier fait que la résistance effective est plus faible pour des impulsions très courtes que la résistance thermique en régime permanent RθJC.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Contour et dimensions du boîtier

Le dispositif utilise le boîtier TO-220-2L standard de l'industrie. Le dessin dimensionnel détaillé fournit les valeurs minimales, typiques et maximales pour toutes les caractéristiques critiques, y compris la hauteur totale (A : 4,5mm typ), la longueur des broches (L : 13,18mm typ) et l'espacement des trous de montage (D1 : 9,05mm typ). Le respect de ces dimensions est nécessaire pour une disposition correcte sur PCB et un montage mécanique approprié.

4.2 Configuration des broches et polarité

Le boîtier TO-220-2L a deux broches :

1. Broche 1 : Cathode (K).

2. Broche 2 : Anode (A).

De plus, la patte métallique (boîtier) du composant est électriquement connectée à la Cathode. C'est une considération critique de sécurité et de conception. La patte doit être isolée des autres circuits (par exemple, en utilisant une rondelle et un manchon isolants) sauf si le commun du circuit est également au potentiel de la cathode.

4.3 Disposition recommandée des pastilles PCB

Une empreinte suggérée pour le montage en surface des broches formées est fournie. Cette disposition assure une formation correcte des joints de soudure, une résistance mécanique et un soulagement thermique pendant les processus de soudure à la vague ou par refusion.

5. Directives de montage et de manipulation

5.1 Couple de serrage

Le couple de serrage spécifié pour la vis utilisée pour fixer le boîtier à un dissipateur thermique est de 8,8 N·m (ou équivalent en lbf-in) pour une vis M3 ou 6-32. Appliquer le couple correct est essentiel : un couple insuffisant conduit à une résistance thermique élevée, tandis qu'un couple excessif peut endommager le boîtier ou le PCB.

5.2 Interface thermique

Pour minimiser la résistance thermique entre le boîtier du dispositif et le dissipateur, une fine couche de matériau d'interface thermique (TIM), tel que de la graisse, un tampon d'écart ou un matériau à changement de phase, doit être utilisée. Le TIM comble les micro-espaces d'air, améliorant significativement le transfert de chaleur.

5.3 Conditions de stockage

Le dispositif doit être stocké dans la plage de température de stockage spécifiée de -55°C à +175°C dans un environnement sec et non corrosif. Les informations sur le niveau de sensibilité à l'humidité (MSL), si applicable pour les broches, doivent être consultées auprès du fabricant pour une manipulation appropriée avant soudure.

6. Considérations de conception d'application

6.1 Circuits d'amortissement (snubber)

Bien que les diodes Schottky SiC aient un recouvrement inverse négligeable, leur capacité de jonction peut encore interagir avec les parasites du circuit (inductance parasite) pour provoquer des dépassements de tension et des oscillations lors de la coupure. Un simple réseau d'amortissement RC en parallèle avec la diode peut être nécessaire pour amortir ces oscillations et réduire les EMI, surtout dans les circuits à fort di/dt.

6.2 Considérations sur la commande de grille pour les interrupteurs associés

Lorsque cette diode est utilisée comme diode de roue libre ou diode boost avec un MOSFET ou un IGBT, sa commutation rapide peut être compromise par une mise en conduction lente de l'interrupteur principal. Assurer une disposition à faible inductance et un driver de grille puissant et rapide pour l'interrupteur actif est essentiel pour exploiter pleinement la vitesse de la diode et minimiser la conduction de la diode interne du MOSFET.

6.3 Fonctionnement en parallèle

Le coefficient de température positif de VF facilite le partage de courant dans les configurations parallèles. Cependant, pour un équilibre de courant dynamique et statique optimal, une disposition symétrique est obligatoire. Cela inclut des longueurs de pistes et des impédances identiques vers l'anode et la cathode de chaque diode, et leur montage sur un dissipateur commun pour égaliser les températures.

7. Comparaison technique et avantages

Comparée aux diodes à recouvrement rapide (FRD) en silicium standard ou même aux diodes internes des MOSFET en carbure de silicium, cette diode Schottky SiC offre des avantages distincts :

• vs. FRD en silicium :La différence la plus significative est l'absence de charge de recouvrement inverse (Qrr). Une FRD en silicium a une Qrr substantielle, provoquant de grandes pointes de courant pendant la commutation, entraînant des pertes par commutation élevées, un stress accru sur l'interrupteur principal et plus d'EMI. La Schottky SiC élimine cela, permettant une efficacité et une fréquence plus élevées.
• vs. Diodes PN en silicium :Au-delà du recouvrement, le dispositif SiC a typiquement une tension directe plus basse à haute température et une température de jonction maximale beaucoup plus élevée (175°C contre 150°C pour de nombreuses pièces en silicium), permettant une conception thermique plus compacte.
• vs. Diodes Schottky en silicium basse tension :Les diodes Schottky en silicium traditionnelles sont limitées à des tensions de blocage inférieures à environ 200V en raison d'un courant de fuite élevé. Les propriétés du matériau SiC permettent d'étendre la conception à barrière Schottky à 650V et au-delà tout en maintenant d'excellentes performances de commutation et de conduction.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

8.1 Cette diode nécessite-t-elle un circuit d'amortissement pour le recouvrement inverse ?

Non, elle ne nécessite pas d'amortisseur pour gérer les pertes par recouvrement inverse, car elle n'a pratiquement pas de Qrr. Cependant, un amortisseur RC peut toujours être bénéfique pour amortir les oscillations de tension causées par l'interaction de sa capacité de jonction avec l'inductance parasite du circuit.

8.2 Comment calculer la puissance dissipée ?

La puissance dissipée a deux composantes principales : la perte par conduction et la perte par commutation capacitive.

Perte par conduction : P_cond = VF * IF * Rapport_cyclique (où VF est pris au courant de fonctionnement et à la température de jonction).

Perte par commutation capacitive : P_sw_cap = 0,5 * C * V^2 * f_sw (ou utiliser la valeur EC fournie). Comme la perte Qrr est nulle, elle n'est pas incluse. La PD totale est la somme de celles-ci, qui est utilisée avec la résistance thermique pour calculer l'élévation de température de la jonction.

8.3 Puis-je l'utiliser dans une application à bus continu 400V ?

Oui, une diode VRRM 650V est correctement dimensionnée pour un bus continu 400V. La pratique de conception courante est de déclasser de 20-30%, ce qui signifie que la tension inverse répétitive maximale doit être 1,2-1,3 fois la tension système maximale. 650V / 1,3 = 500V, ce qui fournit une bonne marge de sécurité pour un bus 400V, en tenant compte des transitoires et des pointes.

8.4 La patte métallique est-elle sous tension ?

Oui. La fiche technique indique clairement "BOITIER : Cathode." La patte métallique est électriquement connectée à la broche cathode. Elle doit être isolée du dissipateur thermique (souvent connecté à la terre ou au châssis) sauf si la cathode est au même potentiel.

9. Exemple pratique de conception

Scénario :Conception d'un étage de correction de facteur de puissance (PFC) boost de 1,5kW avec une sortie de 400V CC à partir d'une entrée AC universelle (85-265VAC). La fréquence de commutation est fixée à 100 kHz pour réduire la taille des composants magnétiques.

Justification du choix de la diode :La diode boost doit bloquer la tension de sortie (400V plus l'ondulation). Des pointes de tension sont attendues. La tension nominale de 650V fournit une marge suffisante. À 100 kHz, les pertes par commutation sont dominantes. Une FRD en silicium standard aurait des pertes Qrr prohibitivement élevées à cette fréquence. Cette diode Schottky SiC, avec sa Qrr quasi nulle et sa faible QC, minimise les pertes par commutation, rendant le fonctionnement à haute fréquence réalisable et efficace. Le courant moyen estimé dans la diode est calculé à partir de la puissance et de la tension de sortie. Le courant continu nominal de 6A, avec un dissipateur approprié, convient à ce niveau de puissance. La faible VF maintient également les pertes par conduction gérables.

Conception thermique :En utilisant la puissance totale dissipée estimée (P_cond + P_sw_cap), la RθJC et la température de jonction maximale cible (par exemple, 125°C pour une marge de fiabilité), la résistance thermique requise du dissipateur (RθSA) peut être calculée pour garantir que le dispositif fonctionne dans des limites sûres.

10. Contexte technologique et tendances

10.1 Avantages du matériau carbure de silicium (SiC)

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur à large bande interdite. Ses propriétés clés incluent un champ électrique critique plus élevé (permettant des couches de dérive plus fines et à plus haute tension), une conductivité thermique plus élevée (meilleure dissipation de chaleur) et la capacité de fonctionner à des températures bien plus élevées que le silicium. Ces propriétés intrinsèques sont ce qui permet les performances haute tension, haute température et haute fréquence des diodes Schottky SiC et autres dispositifs de puissance SiC.

10.2 Tendances du marché et de la technologie

L'adoption des dispositifs de puissance SiC s'accélère, poussée par les demandes mondiales pour une efficacité énergétique plus élevée, une densité de puissance accrue et l'électrification des transports et de l'industrie. Les diodes et MOSFETs SiC deviennent la norme dans les onduleurs solaires haute performance, les chargeurs embarqués et les entraînements de traction des véhicules électriques, ainsi que les alimentations de serveurs avancées. La tendance est vers des tensions nominales plus élevées (par exemple, 1200V, 1700V) pour les applications industrielles et automobiles, une résistance spécifique à l'état passant plus faible pour les MOSFETs, et l'intégration des dispositifs SiC dans des modules de puissance. À mesure que les volumes de fabrication augmentent et que les coûts diminuent, la technologie SiC passe des applications premium à des marchés grand public plus larges.