Fiche technique de diode Schottky SiC TO-247-2L - 650V, 4A, tension directe 1,4V - Dimensions du boîtier 15,6x10,0x4,5mm - Documentation technique française

1. Vue d'ensemble du produit

Ce document détaille les spécifications d'une diode à barrière Schottky (SBD) haute performance en carbure de silicium (SiC) logée dans un boîtier TO-247-2L. 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. Grâce à la technologie SiC, cette diode offre des avantages significatifs par rapport aux équivalents au silicium traditionnels, notamment en réduisant les pertes par commutation et en permettant des fréquences de fonctionnement plus élevées.

La fonction principale de ce composant est d'assurer un flux de courant unidirectionnel avec une chute de tension minimale et une charge de recouvrement inverse quasi nulle. Son rôle principal se situe dans les circuits nécessitant une commutation rapide et une haute efficacité, tels que les alimentations à découpage (SMPS), les onduleurs et les entraînements de moteurs. Le principe de fonctionnement fondamental repose sur la jonction métal-semi-conducteur d'une barrière Schottky qui, lorsqu'elle est fabriquée en carbure de silicium, permet une tension de claquage élevée tout en maintenant une faible chute de tension directe et d'excellentes performances à haute température.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques électriques

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

• Tension inverse de crête répétitive maximale (VRRM) :650V. Il s'agit de la tension inverse instantanée maximale que la diode peut supporter de manière répétée. Elle définit la tension nominale du composant dans des applications comme les étages de correction du facteur de puissance (PFC) fonctionnant à partir d'un réseau 230VAC redressé.
• Courant direct continu (IF) :4A. Il s'agit du courant direct moyen maximal que la diode peut conduire en continu, limité par ses caractéristiques thermiques. Le courant réellement utilisable dépend du dissipateur thermique et de la température ambiante.
• Tension directe (VF) :Typiquement 1,4V à IF=4A et TJ=25°C, avec un maximum de 1,75V. Ce paramètre est crucial pour calculer les pertes par conduction (Pcond = VF * IF). La faible VF est un avantage clé de la technologie Schottky SiC, contribuant directement à une efficacité système plus élevée.
• Courant de fuite inverse (IR) :Maximum 25 µA à VR=520V et TJ=25°C. Ce faible courant de fuite minimise les pertes de puissance à l'état bloqué.
• Charge capacitive totale (QC) :6,4 nC (typique) à VR=400V. C'est un paramètre critique pour la commutation haute fréquence. Une faible valeur de QC indique que très peu de charge doit être déplacée à chaque cycle de commutation, ce qui entraîne des pertes par commutation nettement inférieures à celles des diodes à jonction PN au silicium ou même des diodes de corps des MOSFET SiC.
• Énergie stockée dans la capacité (EC) :1 µJ (typique) à VR=400V. Cette énergie est dissipée à chaque mise sous tension et fait partie du calcul total des pertes par commutation.

2.2 Caractéristiques thermiques

La gestion thermique est primordiale pour un fonctionnement fiable et l'obtention des performances nominales.

• Température de jonction maximale (TJ,max) :175°C. C'est la température absolue maximale que la jonction semi-conductrice peut atteindre. Fonctionner près de cette limite réduira la durée de vie et la fiabilité.
• Résistance thermique, jonction-boîtier (RθJC) :4,5 °C/W (typique). Cette faible résistance thermique indique un transfert de chaleur efficace de la puce de silicium vers le boîtier. C'est une propriété fixe du composant. La résistance thermique totale de la jonction à l'ambiant (RθJA) est la somme de RθJC, de la résistance de l'interface thermique et de la résistance du dissipateur. Un faible RθJC permet d'utiliser des dissipateurs plus petits ou une dissipation de puissance plus élevée.
• Dissipation de puissance totale (PD) :33 W à TC=25°C. Cette valeur est dérivée de la résistance thermique et de la température de jonction maximale. En pratique, la dissipation de puissance admissible diminue lorsque la température du boîtier augmente.

2.3 Valeurs maximales et limites absolues

Ce sont des limites de contrainte qui ne doivent en aucun cas être dépassées pour éviter des dommages permanents.

• Courant direct de surtension non répétitif (IFSM) :19A pour une demi-onde sinusoïdale de 10ms à TC=25°C. Cette valeur définit la capacité de la diode à gérer des surcharges de courte durée, comme les courants d'appel lors de la mise sous tension.
• Température de stockage (TSTG) :-55°C à +175°C.
• Couple de serrage :0,8 à 8,8 N·m pour une vis M3 ou 6-32. Un couple approprié assure un bon contact thermique entre la patte du boîtier et le dissipateur.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique comprend plusieurs graphiques caractéristiques essentiels pour une conception détaillée.

3.1 Caractéristiques VF-IF

Ce graphique montre la relation entre la chute de tension directe et le courant direct à différentes températures de jonction. Observations clés : VF a un coefficient de température négatif ; elle diminue légèrement lorsque la température augmente. Cette caractéristique aide à prévenir l'emballement thermique lorsque plusieurs composants sont mis en parallèle, car un composant plus chaud conduira légèrement plus de courant, favorisant le partage du courant.

3.2 Caractéristiques VR-IR

Cette courbe représente le courant de fuite inverse en fonction de la tension inverse à différentes températures. Elle montre que le courant de fuite augmente de manière exponentielle avec la tension et la température. Les concepteurs doivent s'assurer que la tension inverse de fonctionnement offre une marge suffisante en dessous de la VRRM, en particulier à haute température ambiante.

3.3 Courant direct maximal en fonction de la température de boîtier

Cette courbe de déclassement montre comment le courant direct continu maximal admissible diminue lorsque la température du boîtier augmente. C'est une application directe de la résistance thermique et de la température de jonction maximale. Par exemple, pour fonctionner à pleine charge de 4A, la température du boîtier doit être maintenue à 25°C ou en dessous, ce qui nécessite généralement un refroidissement actif.

3.4 Impédance thermique transitoire

Ce graphique est essentiel pour évaluer les performances thermiques lors d'un fonctionnement en impulsions. Il montre que pour des largeurs d'impulsion très courtes (par exemple, inférieures à 1ms), l'impédance thermique effective de la jonction au boîtier est bien inférieure à la RθJC en régime permanent. Cela permet au composant de gérer une puissance de crête plus élevée dans les applications de commutation où le rapport cyclique est faible.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions du boîtier (TO-247-2L)

Le composant utilise un boîtier standard TO-247-2L à deux broches. Les dimensions clés 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 (base)
• Distance du trou de fixation (E3) : 8,70 mm (référence)

Le boîtier comporte un trou de fixation isolé, ce qui signifie que la patte métallique (boîtier) est électriquement connectée à la cathode. Ce point doit être pris en compte lors de la conception du dissipateur et de l'isolation électrique.

4.2 Configuration des broches et polarité

Le brochage est clairement défini :

• Broche 1 : Cathode (K)
• Broche 2 : Anode (A)
• Boîtier (Patte métallique) : Connecté à la Cathode (K)

La polarité correcte est essentielle. Une polarisation inverse de la diode lors de l'assemblage entraînera une défaillance immédiate à la mise sous tension.

4.3 Patron de pastilles PCB recommandé

Un empreinte suggérée pour le montage en surface des broches est fournie, incluant les dimensions des pastilles et leur espacement pour assurer une formation correcte des soudures et une stabilité mécanique.

5. Guide d'application

5.1 Circuits d'application typiques

Cette diode est idéalement adaptée à plusieurs topologies clés de l'électronique de puissance :

• Correction du facteur de puissance (PFC) :Utilisée comme diode de boost dans les circuits PFC en mode conduction continue (CCM) ou en mode transition (TM). Sa commutation rapide et sa faible QC minimisent les pertes aux hautes fréquences de commutation (par exemple, 65-100 kHz), améliorant l'efficacité globale de l'alimentation.
• Onduleurs solaires :Employée dans le lien DC ou comme diodes de roue libre dans les ponts onduleurs. La capacité à haute température et l'efficacité sont critiques pour maximiser la récolte d'énergie et la fiabilité dans les environnements extérieurs.
• Alimentations sans interruption (ASI) :Utilisée dans les étages redresseur et onduleur pour améliorer l'efficacité et la densité de puissance.
• Entraînements de moteurs :Agit comme une diode de roue libre ou de clamp dans les ponts IGBT ou MOSFET, permettant une commutation plus rapide et réduisant les pointes de tension.
• Alimentations pour centres de données :Une haute efficacité se traduit directement par des coûts d'exploitation plus bas et des besoins de refroidissement réduits dans les environnements serveur à haute densité.

5.2 Considérations de conception et bonnes pratiques

• Conception thermique :Calculez toujours le dissipateur thermique requis en fonction de la dissipation de puissance dans le pire des cas (Pcond + Psw) et de la température ambiante maximale. Utilisez un matériau d'interface thermique (TIM) à faible résistance thermique. Le couple de serrage doit être dans la plage spécifiée.
• Calcul des pertes par commutation :Bien que la perte par recouvrement inverse soit négligeable, la perte par commutation capacitive (Psw_cap = 0,5 * C * V^2 * f) doit être calculée en utilisant les caractéristiques C-V et la fréquence et tension de commutation réelles.
• Mise en parallèle des composants :Le coefficient de température négatif de VF facilite le partage du courant. Cependant, pour un équilibre optimal, assurez une disposition PCB symétrique, des pistes/broches de longueur égale et un dissipateur thermique commun.
• Contraintes de tension :Incluez des circuits d'amortissement (snubber) ou des amortisseurs RC si nécessaire pour contrôler les dépassements de tension causés par l'inductance parasite dans la boucle de circuit, en particulier lors d'une commutation à des taux di/dt élevés.
• Considérations sur la commande de grille (pour les interrupteurs associés) :La commutation rapide de cette diode peut provoquer un dv/dt élevé qui peut se coupler dans les circuits de commande de grille. Une disposition et un blindage appropriés sont importants.

6. Comparaison technique et avantages

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

• Recouvrement inverse essentiellement nul :Le mécanisme de barrière Schottky n'a pas de stockage de porteurs minoritaires, éliminant le courant de recouvrement inverse (Qrr) et les pertes par commutation associées. C'est son avantage le plus significatif.
• Température de fonctionnement plus élevée :Le matériau SiC peut fonctionner de manière fiable à des températures de jonction allant jusqu'à 175°C, contre 150°C ou moins pour de nombreux composants au silicium.
• Fréquence de commutation plus élevée :L'absence de Qrr et la faible QC permettent un fonctionnement à des fréquences bien supérieures à 100 kHz, permettant des composants magnétiques plus petits (inductances, transformateurs) et une densité de puissance accrue.
• Efficacité système améliorée :Des pertes par conduction plus faibles (grâce à la faible VF) et des pertes par commutation quasi nulles augmentent directement l'efficacité du convertisseur sur toute la plage de charge.
• Besoins en refroidissement réduits :Une efficacité plus élevée et de meilleures performances à haute température peuvent conduire à des dissipateurs plus petits et moins coûteux, voire à un refroidissement passif dans certaines applications.

7. Questions fréquemment posées (FAQ)

7.1 Cette diode peut-elle remplacer une diode au silicium dans une conception existante ?

Bien qu'elle puisse fonctionner électriquement, un remplacement direct n'est pas toujours simple. La commutation plus rapide peut entraîner une augmentation des interférences électromagnétiques (EMI) en raison de dv/dt et di/dt plus élevés. La disposition et les réseaux d'amortissement peuvent nécessiter une réévaluation. De plus, la commande de grille du dispositif de commutation associé (par exemple, un MOSFET) pourrait être affectée par la réduction des pertes par commutation et les formes d'onde de tension/courant différentes.

7.2 Pourquoi la tension directe (1,4V) est-elle supérieure à celle d'une diode Schottky au silicium typique ?

Les diodes Schottky au silicium ont des hauteurs de barrière plus faibles, conduisant à des valeurs VF d'environ 0,3-0,7V, mais leur tension de claquage est généralement limitée à moins de 200V. La bande interdite plus large du carbure de silicium permet des tensions de claquage beaucoup plus élevées (650V dans ce cas) mais résulte en un potentiel intégré plus élevé et donc une chute de tension directe plus importante. C'est un compromis fondamental dans la physique des matériaux.

7.3 Comment mettre ces diodes en parallèle pour un courant plus élevé ?

Le coefficient de température négatif facilite le partage du courant. Pour de meilleurs résultats : 1) Montez les composants sur un dissipateur thermique commun pour égaliser les températures de boîtier. 2) Assurez une disposition PCB symétrique avec des longueurs et impédances de pistes identiques pour chaque anode et cathode. 3) Envisagez d'ajouter de petites résistances en série ou un couplage magnétique pour un partage forcé dans les applications critiques, bien que cela ne soit souvent pas nécessaire en raison de la caractéristique VF.

7.4 Quelle est la signification du paramètre "Charge capacitive totale (QC)" ?

QC représente la charge totale associée à la capacité de jonction de la diode lorsqu'elle est chargée à une tension spécifique (400V ici). Lors de la mise sous tension de l'interrupteur opposé dans un circuit (par exemple, un MOSFET dans un convertisseur boost), cette charge est effectivement court-circuitée à travers l'interrupteur, provoquant une pointe de courant et une perte d'énergie. Un faible QC (6,4nC) signifie que cette perte est très faible, contribuant à la capacité de commutation à haute vitesse de la diode.

8. Tendances du secteur et développements futurs

Les composants de puissance en carbure de silicium, y compris les diodes Schottky et les MOSFET, constituent un segment en croissance rapide dans l'industrie de l'électronique de puissance. La tendance est motivée par la poussée mondiale vers une efficacité énergétique plus élevée, des alimentations compactes et l'électrification des transports (VE). Les développements clés incluent :

• Tensions nominales plus élevées :Les composants nominés à 1200V et 1700V deviennent plus courants, ciblant des applications comme les onduleurs de traction pour véhicules électriques et les entraînements de moteurs industriels.
• RθJC plus faible et boîtiers améliorés :Les nouvelles technologies de boîtiers (par exemple, cuivre lié directement, amélioration de la fixation de la puce) réduisent la résistance thermique, permettant une densité de puissance plus élevée.
• Intégration :Il existe une tendance à co-emballer les diodes Schottky SiC avec des MOSFET SiC dans des modules pour créer des cellules de commutation optimisées avec une inductance parasite minimale.
• Réduction des coûts :À mesure que la fabrication des plaquettes s'étend et que la densité des défauts diminue, le surcoût du SiC par rapport au silicium se réduit régulièrement, élargissant son adoption au-delà des applications premium.

Le composant décrit dans cette fiche technique représente un point mature et largement adopté sur cette courbe technologique, offrant un équilibre convaincant entre performance, fiabilité et coût pour un large éventail de tâches de conversion de puissance à haute efficacité.