Fiche technique de diode Schottky SiC TO-252-3L - 650V, 16A, 1.5V - Boîtier 6.6x9.84x1.52mm - 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) dans un boîtier monté en surface TO-252-3L (DPAK). Ce composant est conçu pour les applications de conversion de puissance haute tension et haute fréquence où l'efficacité, la densité de puissance et la gestion thermique sont critiques. Grâce à la technologie SiC, cette diode offre des avantages significatifs par rapport aux diodes à jonction PN en silicium traditionnelles, notamment en réduisant les pertes par commutation et en permettant des fréquences de fonctionnement plus élevées.

Le positionnement central de ce composant se situe dans les systèmes d'alimentation et de conversion d'énergie avancés. Ses principaux avantages découlent des propriétés inhérentes du carbure de silicium, qui permettent une charge de recouvrement inverse bien plus faible et des vitesses de commutation plus rapides que les équivalents en silicium. Cela se traduit directement par une réduction des pertes par commutation dans les circuits, conduisant à une efficacité globale du système plus élevée.

Les marchés et applications cibles sont divers, se concentrant sur l'électronique de puissance moderne et efficace. Les secteurs clés incluent les variateurs de moteurs industriels, les systèmes d'énergie renouvelable comme les onduleurs solaires, les alimentations des serveurs et centres de données, ainsi que les alimentations sans interruption (ASI). Ces applications bénéficient grandement de la capacité de la diode à fonctionner à des fréquences plus élevées, ce qui permet l'utilisation de composants passifs plus petits comme les inductances et les condensateurs, augmentant ainsi la densité de puissance et réduisant potentiellement la taille et le coût du 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 au fonctionnement normal.

• Tension inverse de crête répétitive (VRRM) :650V. Il s'agit de la tension inverse maximale qui peut être appliquée de manière répétitive.
• Courant direct continu (IF) :16A. C'est le courant direct continu maximal que la diode peut supporter, limité par la température de jonction maximale et la résistance thermique.
• Courant direct de surintensité non répétitif (IFSM) :27A. Cette valeur spécifie le courant de surintensité maximal admissible pour une courte durée (10ms, demi-onde sinusoïdale), crucial pour gérer les conditions d'appel de courant ou de défaut.
• Température de jonction (TJ) :175°C. La température maximale admissible de la jonction semi-conductrice.
• Dissipation de puissance totale (PD) :70W. La puissance maximale que le boîtier peut dissiper à une température de boîtier de 25°C.

2.2 Caractéristiques électriques

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

• Tension directe (VF) :Typiquement 1.5V à 16A et une température de jonction de 25°C, avec un maximum de 1.85V. Cette faible VF est un avantage clé de la technologie Schottky SiC, conduisant à des pertes par conduction plus faibles. Notez que VF augmente avec la température, atteignant environ 1.9V à 175°C.
• Courant inverse (IR) :Typiquement 2µA à 520V et 25°C, avec un maximum de 60µA. Ce faible courant de fuite contribue à une haute efficacité dans les états de blocage.
• Charge capacitive totale (QC) :22 nC (typique) à 400V. C'est un paramètre critique pour le calcul des pertes par commutation. La faible valeur de QC indique une charge stockée minimale qui doit être évacuée lors de l'extinction, conduisant à pratiquement aucun courant de recouvrement inverse et à des pertes par commutation très faibles.
• Capacité totale (Ct) :Elle dépend de la tension. Elle mesure 402 pF à 1V, 43 pF à 200V et 32 pF à 400V (typique, à 1MHz). La diminution avec l'augmentation de la tension inverse est caractéristique de la capacité de jonction.

2.3 Caractéristiques thermiques

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

• Résistance thermique, jonction-vers-boîtier (RθJC) :2.9 °C/W (typique). Cette faible valeur indique un transfert de chaleur efficace de la jonction semi-conductrice vers le boîtier, ce qui est essentiel pour dissiper la chaleur générée vers un dissipateur thermique ou le PCB.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques essentielles pour la conception.

3.1 Caractéristiques VF-IF

Ce graphique montre la relation entre la tension directe et le courant direct à différentes températures de jonction. Il démontre visuellement la faible chute de tension directe et son coefficient de température positif. Les concepteurs l'utilisent pour calculer les pertes par conduction (Pcond = VF * IF) et comprendre comment les pertes évoluent avec la température.

3.2 Caractéristiques VR-IR

Cette courbe représente le courant de fuite inverse en fonction de la tension inverse à différentes températures. Elle confirme le faible courant de fuite même à haute tension et températures élevées, ce qui est vital pour l'efficacité en mode blocage.

3.3 Courant direct maximal vs. Température de boîtier

Cette courbe de déclassement montre comment le courant direct continu maximal admissible diminue lorsque la température de boîtier (TC) augmente. C'est un outil crucial pour la conception thermique, garantissant que la diode n'est pas exploitée au-delà de sa zone de fonctionnement sûre (SOA).

3.4 Dissipation de puissance vs. Température de boîtier

Similaire au déclassement du courant, cette courbe montre la dissipation de puissance maximale admissible en fonction de la température de boîtier.

3.5 Impédance thermique transitoire

Ce graphique est critique pour évaluer les performances thermiques pendant de courtes impulsions de puissance. Il montre la résistance thermique effective de la jonction au boîtier pour des impulsions uniques de largeur variable. Ces données sont utilisées pour calculer l'élévation de température de jonction de crête pendant les événements de commutation, souvent plus stressants que les conditions en régime permanent.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions du boîtier (TO-252-3L)

La diode est logée dans un boîtier TO-252-3L, également connu sous le nom de DPAK. Les dimensions clés incluent :

• Longueur du boîtier (E) : 6.60 mm (typ)
• Largeur du boîtier (D) : 6.10 mm (typ)
• Hauteur du boîtier (H) : 9.84 mm (typ)
• Pas des broches (e1) : 2.28 mm (de base)
• Longueur des broches (L) : 1.52 mm (typ)

Le dessin détaillé fournit toutes les tolérances critiques pour la conception de l'empreinte PCB et l'assemblage.

4.2 Configuration des broches et polarité

Le boîtier a trois connexions : deux broches et le boîtier (patte).

• Broche 1 : Cathode (K)
• Broche 2 : Anode (A)
• Boîtier (Patte) : Elle est connectée en interne à la Cathode (K). C'est un détail critique pour la disposition du PCB et le refroidissement, car la patte doit être électriquement isolée des autres circuits s'ils ne sont pas au potentiel cathodique.

4.3 Disposition recommandée des pastilles PCB

Une empreinte suggérée pour l'assemblage en surface est fournie. Cette disposition est conçue pour assurer une formation fiable des joints de soudure, un bon dégagement thermique et une dissipation de chaleur efficace dans le cuivre du PCB. Respecter cette recommandation est important pour le rendement de fabrication et la fiabilité à long terme.

5. Guide d'application et considérations de conception

5.1 Circuits d'application typiques

Cette diode Schottky SiC est idéalement adaptée à plusieurs topologies clés de conversion de puissance :

• Correction du facteur de puissance (PFC) :Utilisée dans l'étage convertisseur boost des alimentations à découpage (SMPS). Sa commutation rapide réduit les pertes à haute fréquence, améliorant l'efficacité de l'étage PFC.
• Étage DC-AC d'onduleur solaire :Souvent utilisée dans les circuits de roue libre ou de clampage de l'onduleur. La tension nominale élevée et les faibles pertes par commutation sont bénéfiques pour les tensions de bus DC élevées et les fréquences de commutation courantes dans les applications solaires.
• Onduleurs de variateurs de moteur :Sert de diode de roue libre en parallèle avec des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) ou des MOSFET. La récupération rapide minimise les exigences de temps mort et réduit les pointes de tension.
• Alimentations sans interruption (ASI) et alimentations de centres de données :Utilisées à la fois dans les étages PFC et de conversion DC-DC pour atteindre une haute efficacité, ce qui est critique pour réduire la consommation d'énergie et les besoins de refroidissement.

5.2 Considérations clés de conception

• Gestion thermique :Malgré ses faibles pertes, un refroidissement approprié est essentiel. La faible RθJC permet un transfert de chaleur efficace vers le PCB ou un dissipateur thermique externe. La patte de montage (cathode) doit être soudée sur une zone de cuivre suffisamment grande sur le PCB pour servir de dissipateur. Pour les applications haute puissance, un dissipateur thermique externe fixé à la patte peut être nécessaire.
• Mise en parallèle des composants :Les diodes Schottky SiC ont un coefficient de température positif pour la tension directe. Cette caractéristique favorise le partage de courant entre les composants en parallèle, aidant à prévenir l'emballement thermique - un avantage significatif par rapport à d'autres technologies de diodes.
• Vitesse de commutation et disposition :La capacité de commutation ultra-rapide de la diode signifie que la disposition du circuit est critique. Minimiser l'inductance parasite dans la boucle de puissance est nécessaire pour éviter un dépassement de tension excessif lors de l'extinction. Cela implique d'utiliser des pistes courtes et larges et un placement approprié des condensateurs de découplage.
• Considérations sur la commande de grille (pour les interrupteurs associés) :L'absence de courant de recouvrement inverse simplifie la conception des circuits de commande de grille pour les transistors de commutation associés (par exemple, MOSFET, IGBT), car il n'y a pas de risque de courant de court-circuit causé par la récupération de la diode.

6. Comparaison technique et avantages

Comparé aux diodes à récupération rapide en silicium standard (FRD) ou même aux diodes Schottky à barrière de jonction en carbure de silicium (JBS), ce composant offre des avantages distincts :

• vs. Diodes PN en silicium :La différence la plus significative est la charge de recouvrement inverse quasi nulle (Qrr), essentiellement remplacée par la charge capacitive (Qc). Cela élimine les pertes par recouvrement inverse et les EMI associées, permettant des fréquences de commutation beaucoup plus élevées (dizaines à centaines de kHz).
• vs. Diodes Schottky en silicium :Les diodes Schottky en silicium sont limitées à des tensions nominales plus basses (typiquement en dessous de 200V). Cette diode SiC étend les avantages du principe de redressement Schottky (faible VF, commutation rapide) à la classe 650V, qui est standard pour de nombreuses applications d'alimentation secteur.
• Fonctionnement à haute température :Le matériau SiC peut fonctionner à des températures de jonction plus élevées que le silicium, améliorant la fiabilité dans des environnements sévères.
• Avantages au niveau système :La possibilité de fréquences de commutation plus élevées permet une réduction de la taille des composants magnétiques (inductances, transformateurs) et des condensateurs, conduisant à des alimentations plus compactes et légères. L'efficacité améliorée réduit la génération de chaleur, ce qui peut simplifier ou éliminer les systèmes de refroidissement, réduisant encore le coût et la taille.

7. Questions fréquemment posées (FAQ)

7.1 Que signifie "pratiquement aucune perte par commutation" ?

Contrairement aux diodes PN en silicium qui stockent des porteurs minoritaires qui doivent être évacués lors de l'extinction (causant un grand courant de recouvrement inverse et une perte significative), les diodes Schottky SiC sont des dispositifs à porteurs majoritaires. Leur comportement à l'extinction est dominé par la décharge de la capacité de jonction (Qc). L'énergie perdue est liée à la charge et à la décharge de cette capacité (E = 1/2 * C * V^2), ce qui est typiquement bien inférieur aux pertes par recouvrement inverse d'une diode en silicium comparable.

7.2 Pourquoi le coefficient de température de la tension directe est-il positif ?

Dans les diodes Schottky, la tension directe diminue légèrement avec la température pour un courant donné en raison d'une diminution de la hauteur de la barrière Schottky. Cependant, l'effet dominant dans les diodes Schottky SiC à fort courant est l'augmentation de la résistance de la région de dérive avec la température. Cette augmentation de la résistance fait que la tension directe globale augmente avec la température, fournissant le coefficient de température positif bénéfique pour le partage de courant.

7.3 Comment calculer la température de jonction dans mon application ?

La température de jonction en régime permanent peut être estimée en utilisant : TJ = TC + (PD * RθJC). Où TC est la température de boîtier mesurée, PD est la puissance dissipée dans la diode (perte par conduction + perte par commutation) et RθJC est la résistance thermique. Pour les conditions dynamiques, la courbe d'impédance thermique transitoire doit être utilisée avec la forme d'onde de dissipation de puissance.

7.4 Puis-je utiliser cette diode pour le redressement de 400V AC ?

Pour redresser une tension de ligne de 400V AC, la tension inverse de crête peut atteindre ~565V (400V * √2). Une diode de 650V nominale fournit une marge de sécurité pour les pointes de tension et les transitoires sur la ligne, en faisant un choix adapté et courant pour de telles applications, y compris les systèmes triphasés 400VAC.

8. Exemple pratique de conception

Scénario :Conception d'un étage de correction du facteur de puissance (PFC) boost de 1.5kW pour une alimentation de serveur, visant une plage de tension d'entrée de 85-265VAC et une sortie de 400VDC. La fréquence de commutation est fixée à 100 kHz pour réduire la taille des composants magnétiques.

Raisonnement de sélection de la diode :Une diode ultrafast en silicium standard aurait des pertes par recouvrement inverse substantielles à 100 kHz, impactant sévèrement l'efficacité. Cette diode Schottky SiC 650V est choisie car ses pertes par commutation sont négligeables (basées sur Qc), et sa perte par conduction (basée sur VF) est faible. Le courant continu nominal de 16A est suffisant pour les courants moyen et efficace dans cette application avec un déclassement approprié.

Conception thermique :Les calculs montrent une perte par conduction de la diode d'environ 4W. En utilisant la RθJC typique de 2.9°C/W, si la température de boîtier est maintenue à 80°C, l'élévation de température de jonction serait de ~11.6°C, résultant en une TJ de ~91.6°C, ce qui est bien en dessous du maximum de 175°C. Cela permet d'utiliser une pastille de cuivre PCB comme dissipateur principal sans nécessiter de dissipateur externe encombrant, économisant espace et coût.

9. Introduction à la technologie et tendances

9.1 Principe de la technologie au carbure de silicium (SiC)

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur à large bande interdite. Sa bande interdite plus large (environ 3.26 eV pour le 4H-SiC contre 1.12 eV pour le Si) lui confère plusieurs propriétés physiques supérieures : un champ électrique critique beaucoup plus élevé (permettant des couches de dérive plus fines et à plus faible résistance pour une tension nominale donnée), une conductivité thermique plus élevée (améliorant la dissipation de chaleur) et la capacité de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées. Dans les diodes Schottky, le SiC permet la combinaison d'une haute tension de claquage, d'une faible chute de tension directe et d'une commutation extrêmement rapide - une combinaison difficile à réaliser avec le silicium.

9.2 Tendances de l'industrie

L'adoption des dispositifs de puissance SiC, y compris les diodes Schottky et les MOSFET, s'accélère. Les principaux moteurs sont la poussée mondiale pour l'efficacité énergétique dans tous les secteurs (industriel, automobile, grand public) et la demande pour une densité de puissance plus élevée. Alors que les volumes de fabrication augmentent et que les coûts continuent de diminuer, le SiC passe d'applications de niche haute performance aux alimentations grand public, aux chargeurs embarqués de véhicules électriques et aux systèmes d'énergie solaire. La tendance est vers des tensions nominales plus élevées (par exemple, 1200V, 1700V) pour les entraînements automobiles et industriels, et l'intégration des diodes SiC avec des MOSFET SiC dans des modules de puissance pour des cellules de commutation complètes et performantes.