Fiche technique de diode Schottky SiC 650V en boîtier TO-247-2L - Dimensions 16.26x20.0x4.7mm - Tension 650V - Courant 8A - 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-247-2L. Le composant est conçu pour offrir une efficacité et une fiabilité supérieures dans les applications exigeantes de conversion de puissance. Sa fonction principale est d'assurer un flux de courant unidirectionnel avec des pertes de commutation et une charge de recouvrement inverse minimales, un avantage significatif par rapport aux diodes traditionnelles au silicium.

Le positionnement principal de cette diode se situe dans les systèmes d'alimentation modernes, à haute fréquence et à haut rendement. Ses avantages fondamentaux découlent des propriétés inhérentes du carbure de silicium, qui permettent un fonctionnement à des températures, tensions et fréquences de commutation plus élevées que le silicium. Les marchés cibles sont divers, englobant les industries où l'efficacité énergétique, la densité de puissance et la gestion thermique sont critiques. Cela inclut les variateurs de moteurs industriels, les systèmes d'énergie renouvelable comme les onduleurs solaires, les alimentations de centres de données et les alimentations sans interruption (ASI).

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques électriques

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

• Tension inverse de crête répétitive (VRRM) :650V. C'est la tension inverse instantanée maximale qui peut être appliquée de manière répétée. Elle définit la tension nominale du composant et est cruciale pour sélectionner la diode pour une tension de bus donnée, généralement avec une marge de sécurité.
• Courant direct continu (IF) :8A. C'est le courant direct moyen maximal que la diode peut conduire en continu, limité par la température de jonction maximale et la résistance thermique. La valeur de 8A est spécifiée à une température de boîtier (TC) de 25°C. Dans les applications réelles, une déclassement basé sur la température de fonctionnement réelle est nécessaire.
• Tension directe (VF) :Typiquement 1,5V à 8A et une température de jonction (TJ) de 25°C, avec un maximum de 1,85V. Ce paramètre est critique pour calculer les pertes par conduction (P_conduction = VF * IF). La faible VF est un avantage clé de la technologie Schottky SiC, contribuant directement à une efficacité système plus élevée. Notez que VF a un coefficient de température négatif, ce qui signifie qu'elle diminue légèrement lorsque la température augmente, ce qui aide à prévenir l'emballement thermique dans les configurations en parallèle.
• Courant inverse (IR) :Typiquement 2µA à 520V et une TJ de 25°C. C'est le courant de fuite lorsque la diode est polarisée en inverse. Un faible courant de fuite minimise les pertes de puissance à l'état bloqué.
• Charge capacitive totale (QC) :12 nC (typique) à VR=400V. C'est un paramètre critique pour la commutation haute fréquence. QC représente la charge associée à la capacité de jonction de la diode qui doit être déplacée à chaque cycle de commutation. Une faible valeur de QC se traduit directement par des pertes de commutation plus basses, permettant un fonctionnement à plus haute fréquence.
• Courant direct de surcharge non répétitif (IFSM) :29A. C'est le courant de crête non répétitif maximal admissible pour une courte durée (10ms, onde sinusoïdale demi-onde). Il indique la capacité du composant à supporter des courants d'appel ou de défaut, comme ceux rencontrés lors du démarrage ou de transitoires de charge.

2.2 Caractéristiques thermiques

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

• Température de jonction maximale (TJ,max) :175°C. C'est la température absolue maximale que la jonction semi-conductrice peut supporter. Un fonctionnement continu à ou près de cette limite réduira significativement la durée de vie du composant.
• Résistance thermique, jonction-boîtier (RθJC) :1,9 °C/W (typique). Ce paramètre quantifie l'impédance thermique entre la puce semi-conductrice (jonction) et l'extérieur du boîtier. Une valeur plus basse indique un meilleur transfert de chaleur de la puce vers le dissipateur thermique. L'élévation totale de température de jonction peut être calculée comme ΔTJ = PD * RθJC, où PD est la puissance dissipée dans la diode.
• Dissipation de puissance totale (PD) :42W à TC=25°C. C'est la puissance maximale que le composant peut dissiper dans les conditions de test spécifiées. En pratique, la dissipation admissible diminue lorsque la température du boîtier augmente.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques essentielles pour la conception et l'analyse.

3.1 Caractéristiques VF-IF

Ce graphique trace la tension directe (VF) en fonction du courant direct (IF). Il montre la relation non linéaire, commençant typiquement par une tension de seuil puis augmentant approximativement de manière linéaire. Les concepteurs utilisent cette courbe pour déterminer avec précision les pertes par conduction à des courants de fonctionnement spécifiques, ce qui est plus précis que d'utiliser une seule valeur typique de VF.

3.2 Caractéristiques VR-IR

Cette courbe illustre le courant de fuite inverse (IR) en fonction de la tension inverse appliquée (VR). Elle démontre comment le courant de fuite augmente à la fois avec la tension inverse et la température de jonction. Ceci est vital pour estimer les pertes à l'état bloqué, en particulier dans les applications haute tension.

3.3 Caractéristiques VR-Ct

Ce graphique montre la capacité totale (Ct) de la diode en fonction de la tension inverse (VR). La capacité de jonction est fortement non linéaire, diminuant significativement lorsque la tension inverse augmente (de 208 pF à 1V à 18 pF à 400V). Cette capacité non linéaire est un facteur clé dans le calcul du comportement de commutation et du paramètre QC.

3.4 Courant direct maximal vs. Température de boîtier

Cette courbe de déclassement montre comment le courant direct continu maximal admissible (IF) diminue lorsque la température de boîtier (TC) augmente. C'est un guide fondamental pour la conception du dissipateur thermique, garantissant que la température de jonction ne dépasse pas sa valeur maximale dans toutes les conditions de fonctionnement.

3.5 Impédance thermique transitoire

Cette courbe trace la résistance thermique transitoire (ZθJC) en fonction de la largeur d'impulsion. Elle est cruciale pour évaluer l'élévation de température de jonction pendant des impulsions de puissance de courte durée, comme celles se produisant lors d'événements de commutation ou de conditions de surcharge. La masse thermique du boîtier fait que la résistance thermique effective est plus faible pour des impulsions très courtes.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Contour et dimensions du boîtier

Le composant utilise le boîtier TO-247-2L standard de l'industrie. Les dimensions clés du dessin de contour incluent une longueur totale du boîtier d'environ 20,0 mm, une largeur de 16,26 mm et une hauteur de 4,7 mm (hors broches). Les broches ont une épaisseur et un espacement spécifiques pour assurer la compatibilité avec les conceptions de PCB standard et les trous de fixation du dissipateur thermique.

4.2 Configuration des broches et identification de la polarité

Le boîtier TO-247-2L a deux broches. La broche 1 est identifiée comme la Cathode (K), et la broche 2 est l'Anode (A). Il est important de noter que la languette métallique ou le boîtier est électriquement connecté à la Cathode. Ceci doit être soigneusement pris en compte lors du montage pour assurer une isolation électrique appropriée si le dissipateur thermique n'est pas au potentiel de la cathode. Un motif de pastilles recommandé pour le PCB est fourni pour assurer une soudure fiable et des performances thermiques lors de l'utilisation d'une forme de broche pour montage en surface.

5. Instructions de montage et d'assemblage

Une installation correcte est critique pour les performances et la fiabilité.

• Couple de serrage :Le couple de serrage recommandé pour la vis de fixation (M3 ou 6-32) est de 8,8 N·cm (ou 8,8 lbf-in). L'application du couple correct assure un contact thermique optimal entre le boîtier du composant et le dissipateur thermique sans endommager le boîtier.
• Matériau d'interface thermique (TIM) :Une pâte thermique ou un coussinet adapté doit toujours être utilisé entre le boîtier de la diode et le dissipateur thermique pour combler les micro-espaces d'air et minimiser la résistance thermique.
• Isolation électrique :Puisque le boîtier est connecté à la cathode, un coussinet électriquement isolant mais thermiquement conducteur (par exemple, mica, caoutchouc de silicone avec charge céramique) est requis si le dissipateur thermique est à un potentiel différent. La tension d'isolation nominale de ce coussinet doit dépasser la tension de fonctionnement du système.
• Conditions de stockage :Le composant doit être stocké dans une plage de température de -55°C à +175°C dans un environnement sec et non corrosif.

6. Recommandations d'application

6.1 Circuits d'application typiques

Cette diode Schottky SiC est idéalement adaptée pour plusieurs circuits électroniques de puissance clés :

• Correction du facteur de puissance (PFC) :Utilisée dans l'étage convertisseur élévateur des alimentations à découpage (SMPS). Sa commutation rapide et sa faible QC réduisent les pertes de commutation à haute fréquence (souvent 65kHz à 150kHz), améliorant l'efficacité de l'étage PFC.
• Étage DC-AC d'onduleur solaire :Employée dans le pont onduleur ou comme diode de roue libre. La tension nominale élevée et l'efficacité contribuent à une efficacité globale plus élevée de l'onduleur, ce qui est critique pour le rendement de l'énergie solaire.
• Alimentation sans interruption (ASI) :Utilisée à la fois dans les sections redresseur/chargeur et onduleur. La capacité de surcharge élevée (IFSM) aide à gérer les courants de charge de batterie et les transitoires de charge de sortie.
• Onduleurs de variateur de moteur :Agit comme diode de roue libre en parallèle avec des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) ou des MOSFET dans le pont de sortie. L'absence de charge de recouvrement inverse élimine les pertes de recouvrement inverse et les pointes de tension associées, permettant une commutation plus douce et une interférence électromagnétique (EMI) réduite.

6.2 Considérations de conception

• Circuits d'amortissement (snubber) :En raison de la commutation très rapide et de l'absence essentielle de recouvrement inverse, les circuits d'amortissement pour contrôler di/dt ou dv/dt peuvent être simplifiés voire inutiles par rapport aux diodes à jonction PN en silicium. Cependant, l'inductance parasite induite par la conception peut encore causer des dépassements de tension et doit être minimisée avec une conception de PCB compacte.
• Fonctionnement en parallèle :Le coefficient de température négatif de VF rend ces diodes intrinsèquement adaptées au fonctionnement en parallèle pour augmenter la capacité de courant. Lorsqu'une diode chauffe, sa VF diminue, ce qui lui fait partager plus de courant, favorisant l'équilibrage du courant plutôt que l'emballement thermique. Cependant, une attention particulière à la symétrie de la conception et au couplage thermique est toujours recommandée.
• Dimensionnement du dissipateur thermique :Utilisez la dissipation de puissance (calculée à partir de VF et IR), RθJC et la courbe de déclassement pour dimensionner précisément le dissipateur thermique. L'objectif est de maintenir la température de jonction bien en dessous de 175°C (par exemple, 125-150°C) pour une fiabilité à long terme.

7. Comparaison technique et avantages

Comparée aux diodes de récupération rapide (FRD) en silicium standard ou même aux diodes PN en silicium, cette diode Schottky SiC offre des avantages distincts :

• Recouvrement inverse essentiellement nul :La barrière Schottky est un dispositif à porteurs majoritaires, contrairement aux jonctions PN qui sont des dispositifs à porteurs minoritaires. Cela élimine la charge stockée et le temps de recouvrement inverse (trr) et le courant (Irr) associés. C'est l'avantage le plus significatif, conduisant à des pertes de commutation considérablement plus faibles.
• Température de fonctionnement plus élevée :La largeur de bande interdite plus grande du carbure de silicium permet une température de jonction maximale plus élevée (175°C contre typiquement 150°C pour le silicium), offrant une marge de conception plus grande ou permettant des dissipateurs thermiques plus petits.
• Fréquence de commutation plus élevée :La combinaison d'une faible QC et de l'absence de recouvrement inverse permet un fonctionnement efficace à des fréquences beaucoup plus élevées. Cela permet l'utilisation de composants passifs plus petits (inductances, condensateurs, transformateurs), augmentant la densité de puissance.
• Chute de tension directe plus faible :Aux courants de fonctionnement typiques, les diodes Schottky SiC ont souvent une VF comparable ou inférieure à celle des FRD en silicium haute tension, réduisant les pertes par conduction.
• Compromis :Le compromis historique principal était le coût, bien que les prix des dispositifs SiC aient considérablement baissé. De plus, le courant de fuite inverse des diodes Schottky est généralement plus élevé que celui des diodes PN et augmente plus fortement avec la température, ce qui peut être une considération dans les applications à très haute température.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q1 : Que signifie concrètement \"essentiellement pas de pertes de commutation\" ?

R1 : Cela signifie que le mécanisme de perte de commutation dominant dans une diode - la perte de recouvrement inverse - est négligeable. Cependant, des pertes se produisent toujours en raison de la charge et de la décharge de la capacité de jonction (liée à QC). Ces pertes capacitives sont typiquement beaucoup plus faibles que les pertes de recouvrement inverse d'une diode en silicium, en particulier à haute fréquence.

Q2 : Comment sélectionner un dissipateur thermique pour cette diode ?

R2 : Premièrement, calculez la dissipation de puissance dans le pire des cas : PD = (VF * IF_moy) + (VR * IR_moy). Utilisez les valeurs de VF et IR à votre température de jonction de fonctionnement prévue. Ensuite, déterminez votre température de jonction maximale cible (par exemple, 140°C). La résistance thermique requise du dissipateur (RθSA) peut être trouvée avec : RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS, où TA est la température ambiante et RθCS est la résistance thermique du matériau d'interface.

Q3 : Puis-je utiliser cette diode directement comme remplacement d'une diode en silicium dans mon circuit existant ?

R3 : Pas toujours sans révision. Bien que le brochage et le boîtier puissent être compatibles, la commutation plus rapide peut entraîner des pointes de tension plus élevées en raison de l'inductance parasite du circuit. La commande de grille ou le contrôle du transistor de commutation associé pourrait nécessiter un ajustement. La tension directe plus faible peut également légèrement modifier le comportement du circuit. Une revue de conception approfondie est recommandée.

Q4 : Pourquoi le boîtier est-il connecté à la cathode ?

R4 : C'est courant dans les boîtiers de puissance. Cela permet d'utiliser la grande languette métallique, excellente pour le transfert de chaleur, comme connexion électrique. Cela réduit l'inductance parasite dans le chemin de la cathode, ce qui est bénéfique pour la commutation rapide. Cela nécessite une isolation soigneuse si le dissipateur thermique n'est pas au potentiel de la cathode.

9. Étude de cas pratique de conception

Scénario : Conception d'un étage PFC élévateur de 1,5kW.

Supposons une plage de tension d'entrée de 85-265VAC, une tension de sortie de 400VDC et une fréquence de commutation de 100kHz. La diode élévatrice doit bloquer 400V et conduire le courant de l'inductance. Les calculs montrent un courant de crête d'environ 10A et un courant moyen de diode d'environ 4A.



Une diode ultrarapide en silicium avec un trr de 50ns et une QC de 30nC subirait des pertes de recouvrement inverse significatives à 100kHz. En sélectionnant cette diode Schottky SiC (QC=12nC, pas de trr), les pertes de commutation dans la diode sont réduites aux seules pertes capacitives. Cela améliore directement l'efficacité de 0,5 à 1,5 %, réduit la génération de chaleur et peut permettre un dissipateur thermique plus petit ou un fonctionnement à une température ambiante plus élevée. La conception bénéficie également d'une EMI réduite en raison de l'absence de pointes de courant de recouvrement inverse.

10. Principe de fonctionnement

Une diode Schottky est formée par une jonction métal-semi-conducteur, contrairement à une diode à jonction PN standard qui utilise une jonction semi-conducteur-semi-conducteur. Dans une diode Schottky SiC, un métal (par exemple, Titane) est déposé sur du carbure de silicium. Cela crée une barrière Schottky qui permet au courant de circuler librement dans le sens direct lorsqu'une petite tension est appliquée (la faible VF). Dans le sens inverse, la barrière bloque le flux de courant. Parce que la conduction repose uniquement sur les porteurs majoritaires (électrons dans un substrat SiC de type N), il n'y a pas d'injection et de stockage de porteurs minoritaires. Par conséquent, lorsque la tension s'inverse, il n'y a pas de charge stockée à éliminer, ce qui se traduit par la caractéristique de coupure quasi instantanée et l'absence de recouvrement inverse.

11. Tendances technologiques

Les dispositifs de puissance en carbure de silicium, y compris les diodes Schottky et les MOSFET, représentent une tendance majeure en électronique de puissance vers une efficacité, une fréquence et une densité de puissance plus élevées. Le marché passe des dispositifs 600-650V (en concurrence avec les MOSFET Superjunction et IGBT en silicium) aux tensions nominales 1200V et 1700V pour les applications industrielles et automobiles. L'intégration de diodes SiC avec des MOSFET SiC dans des modules devient courante pour des étages de puissance haute performance complets. Les améliorations continues de la qualité du matériau SiC et des procédés de fabrication réduisent les coûts et améliorent la fiabilité des dispositifs, faisant de la technologie SiC le choix privilégié pour les nouvelles conceptions dans les applications de moyenne et haute puissance où la performance est critique.