Fiche technique EL-SAF01 665JA - Diode Schottky SiC 650V 16A en boîtier TO-220-2L - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

L'EL-SAF01 665JA est une diode à barrière Schottky au carbure de silicium (SiC) conçue pour les applications de conversion de puissance haute fréquence et haut rendement. Conditionnée dans un boîtier TO-220-2L standard, ce composant exploite les propriétés supérieures du carbure de silicium pour offrir des caractéristiques de performance dépassant significativement celles des diodes au silicium traditionnelles. Sa fonction principale est d'assurer un flux de courant unidirectionnel avec des pertes par commutation et une charge de recouvrement inverse minimales, ce qui en fait un choix idéal pour les alimentations et onduleurs modernes où le rendement et la densité de puissance sont critiques.

Le marché principal de ce composant inclut les concepteurs et ingénieurs travaillant sur les alimentations à découpage (SMPS), les systèmes de conversion d'énergie solaire, les alimentations sans interruption (UPS), les contrôleurs de variateurs de moteur et l'infrastructure électrique des centres de données. Son avantage clé réside dans la possibilité de concevoir des systèmes fonctionnant à des fréquences plus élevées, ce qui permet à son tour de réduire la taille des composants passifs (comme les inductances et les condensateurs), conduisant à des économies globales de coût et d'encombrement du système. De plus, sa faible résistance thermique réduit les besoins en refroidissement, contribuant à des solutions de gestion thermique plus simples et plus fiables.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques électriques

Les paramètres électriques définissent les limites opérationnelles et les performances de la diode dans des conditions spécifiques.

• Tension inverse de crête répétitive maximale (VRRM) :650V. C'est la tension instantanée maximale que la diode peut supporter en polarisation inverse sans claquage. Elle définit la tension nominale pour des applications comme le redressement 400VAC ou les étages PFC élévateurs.
• Courant direct continu (IF) :16A. C'est le courant direct moyen maximal que le dispositif peut conduire en continu, typiquement spécifié à une température de boîtier (Tc) de 25°C. Une déclassement est nécessaire à des températures ambiantes plus élevées.
• Tension directe (VF) :Typiquement 1,5V à IF=16A et Tj=25°C, avec un maximum de 1,85V. Ce paramètre est crucial pour calculer les pertes par conduction (P_pertes = VF * IF). La fiche technique spécifie également VF à la température de jonction maximale (Tj=175°C), qui est typiquement plus élevée (1,9V typ.), important pour les calculs de pertes dans le pire des cas.
• Courant inverse (IR) :Courant de fuite très faible, typiquement 2µA à VR=520V et Tj=25°C. Même à haute température (175°C), il reste gérable à 30µA typ. Une faible fuite minimise les pertes en veille.
• Charge capacitive totale (QC) :Un paramètre critique pour les diodes Schottky SiC, spécifié à 22nC typ. à VR=400V. Contrairement aux diodes conventionnelles, les Schottky SiC n'ont pas de stockage de porteurs minoritaires, donc leur perte par commutation est principalement capacitive. QC représente la charge qui doit être fournie/déchargée à chaque cycle de commutation, influençant directement la perte par commutation (E_sw ~ 0,5 * QC * V). Cette faible valeur permet un fonctionnement à haute fréquence.

2.2 Caractéristiques thermiques

La gestion thermique est primordiale pour la fiabilité et les performances.

• Résistance thermique jonction-boîtier (RθJC) :1,3°C/W typique. Cette faible valeur indique un transfert de chaleur efficace de la jonction semi-conductrice vers le boîtier. Elle permet à la chaleur générée par la dissipation de puissance (pertes par conduction et commutation) d'être efficacement évacuée via un dissipateur thermique fixé au boîtier.
• Température de jonction maximale (TJ) :175°C. La température absolue maximale que la jonction en carbure de silicium peut atteindre. Fonctionner près de cette limite réduit la fiabilité à long terme, donc des marges de conception sont recommandées.
• Dissipation de puissance totale (PD) :115W à Tc=25°C. C'est la puissance maximale que le dispositif peut dissiper dans des conditions de refroidissement idéales (boîtier maintenu à 25°C). Dans les applications réelles, la dissipation autorisée est plus faible et dépend de la capacité du dissipateur à maintenir une température de boîtier basse.

2.3 Valeurs maximales et robustesse

Ces valeurs définissent les limites absolues au-delà desquelles des dommages permanents peuvent survenir.

• Courant direct de surintensité non répétitif (IFSM) :56A pour une demi-onde sinusoïdale de 10ms. Cette valeur indique la capacité de la diode à résister à des événements de courant de court-circuit ou d'appel, un facteur clé de fiabilité en conditions de défaut.
• Plage de température de stockage (TSTG) :-55°C à +175°C. Définit la plage de température sûre pour le dispositif lorsqu'il n'est pas alimenté.
• Couple de serrage (Md) :0,8 à 8,8 N·m (ou 7 à 78 lbf·in) pour une vis M3 ou 6-32. Un couple approprié est essentiel pour un bon contact thermique entre la patte du boîtier et le dissipateur.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs représentations graphiques du comportement du dispositif, essentielles pour une conception détaillée.

• 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 précisément les pertes par conduction à différents points de fonctionnement, et pas seulement le point unique donné dans le tableau. La courbe montre typiquement que VF diminue légèrement avec l'augmentation de la température pour un courant donné (coefficient de température négatif pour VF à faible courant, devenant positif à fort courant), ce qui est une caractéristique des diodes Schottky.
• Caractéristiques VR-IR :Trace le courant de fuite inverse en fonction de la tension inverse, typiquement à plusieurs températures. Il aide les concepteurs à comprendre les pertes à l'état bloqué et à s'assurer que la fuite à la tension et température maximales de l'application est acceptable.
• Caractéristiques VR-Ct :Montre comment la capacité de jonction de la diode (Ct) varie avec la tension inverse (VR). La capacité diminue lorsque la tension inverse augmente. Ce graphique est vital pour modéliser le comportement de commutation capacitif et calculer QC pour des tensions de fonctionnement spécifiques.
• Caractéristiques Ip max – TC :Illustre comment le courant direct continu maximal autorisé (Ip) doit être déclassé lorsque la température de boîtier (TC) augmente. C'est le graphique principal pour la conception thermique, dictant les performances requises du dissipateur.
• Dissipation de puissance vs. TC :Similaire au déclassement du courant, cela montre comment la dissipation de puissance maximale autorisée diminue lorsque la température de boîtier augmente.
• Caractéristiques IFSM – PW :Détaille la capacité de courant de surintensité pour des largeurs d'impulsion (PW) autres que les 10ms standard. Il permet d'évaluer la survie sous diverses conditions transitoires.
• Caractéristiques EC-VR :Trace l'énergie capacitive stockée (EC) en fonction de la tension inverse. L'énergie de perte par commutation peut en être dérivée (E_sw ≈ EC).
• Impédance thermique transitoire vs. Largeur d'impulsion :Crucial pour évaluer l'élévation de température pendant de courtes impulsions de puissance. L'impédance thermique pour une seule courte impulsion est inférieure à la RθJC en régime permanent, permettant une puissance instantanée plus élevée sans surchauffer la jonction.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dessin et dimensions du boîtier

Le dispositif utilise le boîtier TO-220-2L (deux broches) standard de l'industrie. Les dimensions clés de la fiche technique incluent :

• Longueur totale (D) : 15,6 mm (typ.)
• Largeur totale (E) : 9,99 mm (typ.)Hauteur totale (A) : 4,5 mm (typ.)
• Espacement des broches (e1) : 5,08 mm (de base, fixe)
• Distance des trous de fixation (E3) : 8,70 mm (référence)
• Les dimensions de la patte et les détails de la forme des broches sont fournis pour l'intégration mécanique et la conception de l'empreinte PCB.

4.2 Configuration des broches et polarité

Le brochage est clairement défini :

• Broche 1 :Cathode (K).
• Broche 2 :Anode (A).
• Boîtier (Patte métallique) :Celle-ci est électriquement connectée à la Cathode (Broche 1). Cette connexion est critique pour la sécurité et la conception : le dissipateur sera au potentiel cathode, donc il doit être isolé des autres parties du système (comme la masse du châssis) si elles sont à un potentiel différent. Des kits d'isolation appropriés (mica/rondelles, pads en silicone) sont requis.

4.3 Empattement PCB recommandé

Un empattement pour forme de broche montée en surface est suggéré pour la conception PCB. Cela assure une formation correcte des joints de soudure et une stabilité mécanique lorsque le dispositif est monté sur un PCB, typiquement en conjonction avec un dissipateur.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Bien que des profils de refusion spécifiques ne soient pas détaillés dans l'extrait fourni, les recommandations générales pour les dispositifs de puissance en boîtier TO-220 s'appliquent :

• Manipulation :Observer les précautions ESD (Décharge Électrostatique) car les dispositifs SiC peuvent être sensibles.
• Soudure :Pour le montage traversant des broches, les techniques de soudure standard à la vague ou manuelle peuvent être utilisées. La température du corps du boîtier ne doit pas dépasser la température de stockage maximale (175°C) pendant une période prolongée. Pour la forme de broche montée en surface, suivre les profils de refusion standard pour les assemblages sans plomb (température de pic typiquement 245-260°C).
• Montage du dissipateur :
  1. S'assurer que la surface de montage du dissipateur et la patte de la diode sont propres, plates et exemptes de bavures.
  2. Appliquer une fine couche uniforme de matériau d'interface thermique (pâte thermique ou pad) pour améliorer le transfert de chaleur.
  3. Si une isolation électrique est nécessaire, utiliser une rondelle isolante (ex. : mica, polyimide) et une rondelle d'épaulement pour la vis. Appliquer le composé thermique sur les deux faces de l'isolant.
  4. Fixer la diode en utilisant le couple de serrage spécifié (0,8 à 8,8 N·m) avec une vis et un écrou M3 ou 6-32. Éviter le serrage excessif, qui peut fissurer le boîtier ou endommager les filets.
• Stockage :Stocker dans un environnement sec et antistatique dans la plage de température spécifiée (-55°C à +175°C).

6. Suggestions d'application

6.1 Circuits d'application typiques

• Diode d'élévation PFC (Correction du Facteur de Puissance) :Dans les circuits PFC élévateurs en mode conduction continue (CCM), le faible Qc et la commutation rapide de la diode sont essentiels pour un haut rendement à des fréquences de commutation élevées (ex. : 65-100 kHz). Elle supporte la contrainte de haute tension lorsque l'interrupteur principal s'active.
• Étage de sortie de micro-onduleur solaire :Utilisée dans le pont onduleur haute fréquence ou comme diode de roue libre. Sa capacité en température élevée convient aux conditions environnementales exigeantes des applications solaires.
• Onduleur/Convertisseur d'Alimentation Sans Interruption (UPS) :Fonctionne comme diode de roue libre ou de clamp dans les étages onduleur DC-AC ou convertisseur DC-DC, améliorant le rendement global du système.
• Diode de clamp/roue libre de bus DC pour variateur de moteur :Protège les IGBT ou MOSFET des surtensions en clampant l'énergie inductive des enroulements du moteur.

6.2 Considérations de conception critiques

• Circuits d'amortissement (Snubber) :En raison de la commutation très rapide et du faible Qc, l'inductance parasite dans le circuit peut provoquer une surtension significative (L*di/dt). Une conception PCB soignée pour minimiser la surface des boucles est primordiale. Un snubber RC en parallèle avec la diode peut être nécessaire pour amortir les oscillations.
• Conception thermique :Calculer les pertes de puissance totales (P_conduction = VF_moy * IF_moy, P_commutation ≈ 0,5 * QC * V * f_sw). Utiliser la température de jonction maximale (Tj_max=175°C), la résistance thermique RθJC et la résistance thermique estimée du dissipateur (RθSA) pour s'assurer que Tj reste dans une marge de sécurité (ex. : 150°C ou moins).
• Fonctionnement en parallèle :La fiche technique indique que le dispositif peut être mis en parallèle sans emballement thermique. Cela est dû au coefficient de température positif de la tension directe à forts courants, qui favorise le partage du courant. Cependant, pour un partage optimal, assurer une disposition symétrique et utiliser des résistances de grille individuelles si des interrupteurs associés sont commandés.
• Déclassement de tension :Pour une fiabilité à long terme améliorée, surtout dans les applications haute température ou haute fiabilité, envisager de déclasser la tension inverse de fonctionnement (ex. : utiliser une diode 650V pour un bus 400V, pas un bus 480V).

7. Comparaison technique et avantages

Comparée aux diodes rapides au silicium standard (FRD) ou même aux diodes ultra-rapides (UFRD), l'EL-SAF01 665JA offre des avantages distincts :

• Charge de recouvrement inverse (Qrr) essentiellement nulle :Les diodes au silicium ont un Qrr significatif dû au stockage des porteurs minoritaires, provoquant de forts pics de courant et des pertes lors de la coupure. Les diodes Schottky SiC sont des dispositifs à porteurs majoritaires, donc Qrr est négligeable. La perte par commutation est purement capacitive (QC), ce qui est bien inférieur à la perte basée sur Qrr.
• Température de fonctionnement plus élevée :La large bande interdite du carbure de silicium permet une température de jonction maximale de 175°C, contre 150°C ou 125°C pour de nombreuses diodes au silicium, permettant un fonctionnement dans des environnements plus chauds ou avec des dissipateurs plus petits.
• Capacité de fréquence de commutation plus élevée :La combinaison d'un faible QC et de l'absence de Qrr permet un fonctionnement efficace à des fréquences bien supérieures à 100 kHz, permettant aux composants magnétiques (inductances, transformateurs) d'être nettement plus petits.
• Tension directe plus faible à haute température :Bien que VF à température ambiante puisse être comparable à une Schottky au silicium, le VF d'une Schottky SiC augmente moins avec la température, conduisant à de meilleures performances de conduction à haute température.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

8.1 Basées sur les paramètres techniques

Q : Le QC est de 22nC. Comment calculer la perte par commutation ?

R : L'énergie perdue par cycle de commutation est approximativement E_sw ≈ 0,5 * QC * V, où V est la tension inverse contre laquelle elle commute. Par exemple, à 400V, E_sw ≈ 0,5 * 22nC * 400V = 4,4µJ. Multiplier par la fréquence de commutation (f_sw) pour obtenir la perte de puissance : P_sw = E_sw * f_sw. À 100 kHz, P_sw ≈ 0,44W.

Q : Pourquoi le boîtier est-il connecté à la cathode ? L'isolation est-elle toujours nécessaire ?

R : La puce interne est montée sur un substrat connecté électriquement à la patte cathode pour des raisons thermiques et mécaniques. Une isolation est requise si le dissipateur (ou le châssis auquel il est fixé) est à un potentiel différent de la cathode dans votre circuit. Si la cathode est au potentiel de masse et que le dissipateur est également mis à la masse, l'isolation peut ne pas être nécessaire, mais elle est souvent utilisée comme une meilleure pratique de sécurité.

Q : Puis-je utiliser cette diode directement en remplacement d'une diode au silicium dans mon circuit existant ?

R : Pas directement sans révision. Bien que les tensions et courants nominaux puissent correspondre, la commutation extrêmement rapide peut provoquer une surtension sévère et des EMI dues aux parasites du circuit qui n'étaient pas problématiques avec la diode au silicium plus lente. La conception PCB et le snubber doivent être réévalués.

9. Cas pratiques de conception et d'utilisation

Étude de cas : Étage PFC d'une alimentation de serveur 2kW haute densité.Un concepteur remplace une diode ultra-rapide au silicium 600V/15A dans un PFC élévateur CCM 80kHz par l'EL-SAF01. La diode au silicium avait Qrr=45nC et Vf=1,7V. Les calculs montrent que la diode SiC réduit la perte par commutation d'environ 60% (de 1,44W à 0,58W par diode) et améliore légèrement la perte par conduction. Cette économie de 0,86W par diode permet d'augmenter la fréquence de commutation à 140kHz pour réduire la taille de l'inductance d'élévation d'environ 40%, atteignant l'objectif d'augmentation de densité de puissance. Le dissipateur existant reste adéquat en raison de pertes totales plus faibles.

Étude de cas : Pont en H de micro-onduleur solaire.Dans un micro-onduleur 300W, quatre diodes EL-SAF01 sont utilisées comme diodes de roue libre pour les MOSFET du pont en H. Leur classement en température élevée (175°C) assure la fiabilité dans les environnements de toiture où les températures du boîtier peuvent dépasser 70°C. Le faible QC minimise les pertes à la haute fréquence de commutation (ex. : 16kHz fondamentale avec PWM haute fréquence), contribuant à un rendement de conversion global plus élevé (>96%) qui est critique pour la récolte d'énergie solaire.

10. Principe de fonctionnement

Une diode Schottky est formée par une jonction métal-semi-conducteur, contrairement à une diode à jonction PN standard. L'EL-SAF01 utilise du carbure de silicium (SiC) comme semi-conducteur. La barrière Schottky formée à l'interface métal-SiC permet une conduction par porteurs majoritaires (électrons) uniquement. Lorsqu'elle est polarisée en direct, les électrons sont injectés du semi-conducteur vers le métal, permettant le passage du courant avec une chute de tension directe relativement faible (typiquement 0,7-1,8V). En polarisation inverse, la barrière Schottky empêche le passage du courant. La distinction clé avec les diodes PN est l'absence d'injection et de stockage de porteurs minoritaires. Cela signifie qu'il n'y a pas de capacité de diffusion associée à une charge stockée dans la zone de dérive, conduisant à la caractéristique de "recouvrement inverse nul". La seule capacité est la capacité de la zone de déplétion de la jonction, qui dépend de la tension et donne lieu au QC mesurable. La large bande interdite du carbure de silicium (≈3,26 eV pour le 4H-SiC) fournit la haute rigidité diélectrique qui permet la tension nominale de 650V dans une puce relativement petite, et sa haute conductivité thermique aide à la dissipation de chaleur.

11. Tendances technologiques

Les dispositifs de puissance au carbure de silicium, y compris les diodes Schottky et les MOSFET, représentent une tendance significative en électronique de puissance vers un rendement, une fréquence et une densité de puissance plus élevés. Le marché évolue des dispositifs 600-650V (en concurrence avec les MOSFET superjonction au silicium et les IGBT) vers des classes de tension plus élevées comme 1200V et 1700V pour les variateurs de moteurs industriels et les onduleurs de traction de véhicules électriques. Parallèlement, il y a une tendance à la baisse du coût par ampère à mesure que la taille des plaquettes augmente (de 4 pouces à 6 pouces et maintenant 8 pouces) et que les rendements de fabrication s'améliorent. L'intégration est une autre tendance, avec l'émergence de modules combinant MOSFET SiC et diodes Schottky. De plus, la recherche continue pour améliorer l'interface de la barrière Schottky afin de réduire davantage la chute de tension directe et d'améliorer la fiabilité. L'adoption du SiC est motivée mondialement par les normes d'efficacité énergétique et l'électrification des transports et des systèmes d'énergie renouvelable.