Fiche technique de diode Schottky SiC 650V en boîtier TO-247-2L - Courant direct 10A - Tension directe 1,48V - Température de jonction 175°C - Document technique en français

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 des applications d'électronique de puissance nécessitant un rendement élevé, un fonctionnement à haute fréquence et des performances thermiques supérieures. 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 à jonction PN en silicium traditionnelles.

Le positionnement principal de ce composant se situe dans les systèmes de conversion de puissance avancés où le rendement et la densité de puissance sont critiques. Ses avantages fondamentaux découlent des propriétés intrinsèques du carbure de silicium, qui permettent un fonctionnement à des températures, tensions et fréquences de commutation plus élevées que les dispositifs à base de silicium. Les marchés cibles incluent les alimentations industrielles, les systèmes d'énergie renouvelable et les applications d'entraînement de moteurs, où ces caractéristiques se traduisent directement par des bénéfices au niveau système.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

Les valeurs maximales absolues définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents peuvent survenir sur le composant. Elles ne sont pas destinées à un fonctionnement normal.

• Tension inverse de crête répétitive (VRRM) :650V. Il s'agit de la tension inverse instantanée maximale qui peut être appliquée de manière répétitive.
• Courant direct continu (IF) :10A. C'est le courant continu maximal que la diode peut conduire en continu, limité par la température de jonction maximale et la résistance thermique.
• Courant de surintensité non répétitif (IFSM) :30A. Cette valeur indique la capacité de la diode à supporter un événement unique de surcharge à courant élevé (demi-onde sinusoïdale de 10ms) sans défaillance, ce qui est crucial pour gérer les courants d'appel ou les conditions de défaut.
• Température de jonction (TJ) :175°C. La température maximale admissible de la jonction semi-conductrice elle-même.
• Température de stockage (TSTG) :-55°C à +175°C.

2.2 Caractéristiques électriques

Ces paramètres définissent les performances du dispositif dans des conditions de test spécifiées.

• Tension directe (VF) :Typiquement 1,48V à IF=10A, TJ=25°C, avec un maximum de 1,85V. Cette faible VF est une caractéristique clé des diodes Schottky SiC, conduisant à des pertes par conduction réduites. Notez que VF augmente avec la température, atteignant environ 1,9V à TJ=175°C.
• Courant de fuite inverse (IR) :Typiquement 2µA à VR=520V, TJ=25°C, avec un maximum de 60µA. La fuite augmente avec la température, une caractéristique qui doit être prise en compte dans les conceptions à haute température.
• Charge capacitive totale (QC) :15nC (typique) à VR=400V. C'est un paramètre critique pour le calcul des pertes de commutation. La faible valeur de QC signifie que très peu d'énergie est stockée dans la capacité de jonction de la diode, qui doit être dissipée à chaque cycle de commutation, conduisant à des "pertes de commutation pratiquement nulles" comme indiqué dans les avantages.
• Énergie stockée dans la capacité (EC) :2,2µJ (typique) à VR=400V. C'est l'énergie stockée dans la capacité de la diode à la tension spécifiée, directement liée à QC.

2.3 Caractéristiques thermiques

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

• Résistance thermique, jonction-boîtier (RθJC) :1,7°C/W (typique). Cette faible valeur indique un excellent transfert de chaleur de la puce semi-conductrice vers le boîtier du dispositif, permettant à la chaleur d'être efficacement évacuée via un dissipateur thermique fixé au boîtier. La puissance totale dissipée (PD) nominale de 88W à TC=25°C est dérivée de ce paramètre et de la température de jonction maximale.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique inclut plusieurs courbes caractéristiques essentielles pour les ingénieurs de conception.

3.1 Caractéristiques VF-IF

Ce graphique représente la tension directe en fonction du courant direct, typiquement à plusieurs températures de jonction (par ex., 25°C et 175°C). Il démontre visuellement la faible chute de tension directe et son coefficient de température positif. Le coefficient de température positif est une caractéristique bénéfique pour le fonctionnement en parallèle, car il favorise le partage du courant et empêche l'emballement thermique.

3.2 Caractéristiques VR-IR

Cette courbe montre la relation entre la tension inverse et le courant de fuite inverse, encore une fois à différentes températures. Elle met en évidence 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.

3.3 Caractéristiques VR-Ct

Ce graphique illustre comment la capacité totale (Ct) de la diode diminue avec l'augmentation de la tension de polarisation inverse (VR). Cette capacité non linéaire est un facteur clé du comportement en commutation haute fréquence.

3.4 Courant direct maximal en fonction de la température de boîtier

Cette courbe de déclassement montre comment le courant direct continu maximal admissible (IF) diminue à mesure que la température de boîtier (TC) augmente. C'est un outil crucial pour déterminer les performances nécessaires du dissipateur thermique pour un courant d'application donné.

3.5 Impédance thermique transitoire

La courbe de la résistance thermique transitoire en fonction de la largeur d'impulsion (ZθJC vs. PW) est vitale pour évaluer les performances thermiques dans des conditions de courant pulsé. Elle montre que pour des impulsions très courtes, la résistance thermique effective est inférieure à la RθJC en régime permanent, permettant des courants de crête plus élevés.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Configuration des broches et polarité

Le dispositif utilise un boîtier TO-247-2L avec deux broches. La broche 1 est la Cathode (K) et la broche 2 est l'Anode (A). Il est important de noter que la patte métallique ou le boîtier du composant est électriquement connecté à la Cathode. Ce point doit être soigneusement pris en compte lors du montage pour éviter les courts-circuits, car le boîtier doit être isolé du dissipateur thermique, sauf si le dissipateur est au potentiel cathodique.

4.2 Dimensions et contour du boîtier

Des dessins mécaniques détaillés sont fournis avec toutes les dimensions critiques en millimètres. Cela inclut la longueur totale, la largeur, la hauteur, l'écartement des broches, le diamètre des broches et les dimensions du trou de fixation dans la patte. Le respect de ces dimensions est nécessaire pour une conception correcte de l'empreinte sur CI et un assemblage mécanique adéquat.

4.3 Configuration recommandée des pastilles de CI

Une empreinte suggérée pour le montage en surface des broches (après formage) est incluse, spécifiant la taille, la forme et l'espacement des pastilles pour assurer une soudure fiable et une résistance mécanique.

5. Directives d'assemblage et de manipulation

5.1 Couple de serrage

Le couple de serrage spécifié pour la vis utilisée pour fixer le dispositif à un dissipateur thermique est de 8,8 N·m (ou équivalent en lbf-in) pour une vis M3 ou 6-32. L'application du couple correct assure un contact thermique optimal sans endommager le boîtier.

5.2 Conditions de stockage

Les dispositifs doivent être stockés dans la plage de température de stockage spécifiée de -55°C à +175°C dans un environnement sec et non corrosif. Les précautions standard contre les décharges électrostatiques (ESD) doivent être observées lors de la manipulation, car la barrière Schottky est sensible aux dommages électrostatiques.

6. Recommandations d'application

6.1 Circuits d'application typiques

• Correction du facteur de puissance (PFC) :Utilisée comme diode de boost dans les circuits PFC en mode de conduction continue (CCM). Sa commutation rapide et sa faible QC minimisent les pertes à l'extinction, permettant des fréquences de commutation plus élevées, ce qui réduit la taille des composants magnétiques.
• Onduleurs solaires :Employée dans l'étage de boost ou au sein du pont onduleur. Le rendement élevé réduit la perte de puissance, et la capacité à haute température améliore la fiabilité dans les environnements extérieurs.
• Variateurs de moteurs :Utilisée dans les positions de diode de roue libre ou de clamp dans les ponts onduleurs entraînant des moteurs. L'absence de courant de recouvrement inverse réduit les pointes de tension et les EMI, et améliore le rendement de l'entraînement.
• Alimentations sans interruption (ASI) & alimentations de centres de données :Des avantages similaires s'appliquent dans les étages de conversion de puissance à haute densité et à haut rendement de ces systèmes.

6.2 Considérations de conception critiques

• Dissipation thermique :En raison de la capacité de dissipation de puissance élevée, un dissipateur thermique approprié est obligatoire pour un fonctionnement à courants élevés. La résistance thermique du boîtier à l'ambiance (RθCA) fournie par le dissipateur doit être calculée sur la base de la température ambiante maximale, de la perte de puissance et de la marge de température de jonction souhaitée.
• Dispositifs en parallèle :Le coefficient de température positif de VF facilite le partage du courant lorsque plusieurs diodes sont connectées en parallèle. Cependant, une conception de circuit imprimé soignée pour assurer une inductance et une résistance parasites symétriques est toujours recommandée pour un partage optimal.
• Circuits d'amortissement (snubber) :Bien que la diode n'ait pratiquement pas de recouvrement inverse, l'inductance parasite du circuit peut encore provoquer des dépassements de tension lors de l'extinction. Des circuits d'amortissement ou une conception soignée pour minimiser l'inductance de boucle peuvent être nécessaires dans les applications à très fort di/dt.
• Considérations sur la commande de grille (pour les interrupteurs associés) :La commutation rapide de cette diode peut entraîner un di/dt et un dv/dt élevés, ce qui peut provoquer un couplage de bruit dans les circuits de commande de grille. Un blindage approprié et une conception soignée de la commande de grille sont importants.

7. Comparaison technique et avantages

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

• Recouvrement inverse nul :La barrière Schottky est un dispositif à porteurs majoritaires, éliminant le temps de stockage des porteurs minoritaires et le courant de recouvrement inverse associé (Qrr) et les pertes observés dans les diodes à jonction PN. C'est son avantage le plus significatif.
• Température de fonctionnement plus élevée :Le matériau SiC permet une température de jonction maximale de 175°C, supérieure à celle des diodes en silicium typiques, permettant un fonctionnement dans des environnements plus rudes ou avec des dissipateurs thermiques plus petits.
• Chute de tension directe plus faible :Aux courants de fonctionnement typiques, la VF est inférieure à celle des FRD en silicium de tension nominale comparable, réduisant les pertes par conduction.
• Capacité de fréquence de commutation plus élevée :La combinaison d'une faible QC et de l'absence de Qrr permet un fonctionnement efficace à des fréquences beaucoup plus élevées, ce qui conduit directement à des composants passifs plus petits (inductances, condensateurs) et à une densité de puissance accrue.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

8.1 Que signifie "pertes de commutation pratiquement nulles" ?

Cela fait référence à la perte par recouvrement inverse négligeable. Bien qu'il y ait toujours une perte de commutation capacitive (liée à QC et EC), l'absence totale de la perte par recouvrement inverse beaucoup plus importante associée aux diodes en silicium signifie que la perte de commutation totale est considérablement plus faible, souvent d'un ordre de grandeur de moins.

8.2 Pourquoi le boîtier est-il connecté à la cathode ?

C'est une conception courante dans les boîtiers de puissance pour simplifier la connexion interne et améliorer les performances thermiques. Cela signifie que le dissipateur thermique doit être électriquement isolé du reste du système, sauf s'il est intentionnellement maintenu au potentiel cathodique. Des rondelles isolantes et un matériau d'interface thermique à haute rigidité diélectrique sont requis.

8.3 Comment calculer la perte de puissance dans cette diode ?

La perte de puissance totale (PD) est la somme de la perte par conduction et de la perte par commutation. Perte par conduction = IF(AVG) * VF. Perte par commutation ≈ (1/2) * C * V^2 * f (pour la perte capacitive), où C est la capacité effective, V est la tension de blocage et f est la fréquence de commutation. La composante de perte Qrr est nulle.

8.4 Puis-je utiliser cette diode pour remplacer directement une diode au silicium ?

Électriquement, en termes de tension et de courant nominal, souvent oui. Cependant, la commutation plus rapide peut exposer les parasites du circuit, provoquant potentiellement des pointes de tension plus élevées. La commande de grille du dispositif de commutation associé (par ex., MOSFET) peut nécessiter une revue pour l'immunité au bruit. La conception thermique doit également être réévaluée car le profil de perte est différent.

9. Étude de cas de conception et d'utilisation

Scénario :Mise à niveau de l'étage de boost d'un correcteur de facteur de puissance (PFC) en mode de conduction continue (CCM) de 2kW, en remplaçant une diode ultrarapide en silicium par cette diode Schottky SiC. La conception originale fonctionne à 100kHz.

Analyse :La diode en silicium avait un Qrr de 50nC et une VF de 1,8V. La perte de commutation était significative. En la remplaçant par la diode SiC (QC=15nC, VF=1,48V), les améliorations suivantes sont réalisées :

1. Réduction de la perte de commutation :La perte Qrr est éliminée. La perte de commutation capacitive est réduite en raison de la QC plus faible.
2. Réduction de la perte par conduction :Une VF plus faible réduit la perte par conduction d'environ 18% pour le même courant moyen.
3. Potentiel de fréquence accru :La perte de commutation totale considérablement plus faible permet au concepteur deaugmenter la fréquence de commutationà 200-300kHz. Cela réduit la taille et le poids de l'inductance de boost et des composants du filtre EMI de près de 50%, atteignant directement une "densité de puissance accrue".
4. Gestion thermique :La perte de puissance globale dans la diode est plus faible. Combinée à sa température de jonction nominale plus élevée, cela peut permettre une réduction de la taille du dissipateur thermique ("réduction des besoins en dissipateur thermique"), économisant ainsi davantage de coûts et d'espace.

Résultat :Le rendement du système s'améliore de 1 à 2% à pleine charge, la densité de puissance augmente et le coût du système peut diminuer grâce à des composants magnétiques et un refroidissement plus petits.

10. Introduction au principe de fonctionnement

Une diode Schottky est formée par une jonction métal-semi-conducteur, contrairement à la jonction semi-conductrice P-N d'une diode standard. Dans cette diode Schottky SiC, un contact métallique est réalisé directement sur du carbure de silicium de type n. Cela crée une barrière Schottky qui permet au courant de circuler facilement dans le sens direct lorsqu'une polarisation positive est appliquée au métal (anode) par rapport au semi-conducteur (cathode).

La différence opérationnelle clé réside dans le recouvrement inverse. Dans une diode PN, son extinction nécessite l'élimination des porteurs minoritaires stockés (un processus appelé recouvrement inverse), ce qui prend du temps et crée une impulsion de courant inverse significative. Dans une diode Schottky, le courant est transporté uniquement par les porteurs majoritaires (électrons dans le SiC de type n). Lorsque la tension s'inverse, ces porteurs sont balayés presque instantanément, ce qui entraîne aucun temps de stockage des porteurs minoritaires et donc un "recouvrement inverse nul". Ce principe fondamental est ce qui permet la commutation à haute vitesse et les faibles pertes de commutation.

11. Tendances technologiques

Les dispositifs de puissance en carbure de silicium représentent une tendance majeure dans l'électronique de puissance, permettant la transition des composants traditionnels à base de silicium. Les moteurs du marché sont la poussée mondiale pour une efficacité énergétique plus élevée, une densité de puissance accrue et l'électrification des transports et de l'industrie.

L'évolution des diodes Schottky SiC se concentre sur plusieurs domaines clés : réduire davantage la résistance spécifique à l'état passant (ce qui se traduit par une VF plus faible), améliorer la fiabilité et la stabilité de l'interface métal-semi-conducteur Schottky à haute température, augmenter la tension nominale à 1,2kV, 1,7kV et au-delà pour les applications de moyenne tension, et réduire la capacité du dispositif (Coss, QC) pour permettre des fréquences de commutation multi-MHz. L'intégration est une autre tendance, avec le co-encapsulage de diodes Schottky SiC avec des MOSFET SiC dans des modules pour créer des étages de puissance hautement efficaces et à commutation rapide. À mesure que les volumes de fabrication augmentent et que les coûts diminuent, la technologie SiC passe progressivement des applications premium aux produits de conversion de puissance grand public.