Fiche technique de diode Schottky SiC TO-252-3L - 650V, 20A, 1.5V - Boîtier 6.6x9.84x2.3mm - 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) 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 caractéristiques de commutation supérieures aux diodes à jonction PN en silicium traditionnelles, permettant des améliorations significatives au niveau système.

L'avantage fondamental de cette diode Schottky SiC réside dans sa charge de recouvrement inverse quasi nulle, ce qui élimine virtuellement les pertes par commutation associées à l'extinction de la diode. Cette caractéristique est primordiale pour augmenter les fréquences de commutation dans les alimentations et les onduleurs, permettant l'utilisation de composants passifs plus petits comme les inductances et les condensateurs, augmentant ainsi la densité de puissance globale. La faible chute de tension directe contribue également à réduire les pertes par conduction, améliorant l'efficacité du système sur toute la plage de température de fonctionnement.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques électriques

Le composant est spécifié pour une tension inverse de crête répétitive maximale (VRRM) de 650V, le rendant adapté aux applications fonctionnant sur le secteur universel (85-265VAC) avec une marge de conception suffisante. Le courant direct continu (IF) nominal est de 20A, déterminé à une température de boîtier (TC) de 25°C. Il est crucial de noter que ce courant nominal est limité thermiquement et sera déclassé avec l'augmentation de la température de jonction, comme détaillé dans la section des caractéristiques thermiques.

Un paramètre de performance clé pour les diodes de commutation est la charge capacitive totale (Qc). Ce composant spécifie une Qc typique de 30nC à une tension inverse (VR) de 400V et une température de jonction (Tj) de 25°C. Cette faible valeur confirme la charge stockée minimale, ce qui se traduit directement par de faibles pertes par commutation et permet un fonctionnement à haute fréquence. La tension directe (VF) est spécifiée à un maximum de 1,85V lors du passage d'un courant de 16A à 25°C, atteignant typiquement 1,9V à la température de jonction maximale de 175°C. Ce coefficient de température positif de VF est une caractéristique bénéfique des diodes Schottky SiC, favorisant le partage de courant et empêchant l'emballement thermique lorsque plusieurs composants sont utilisés en parallèle.

Le courant de fuite inverse (IR) est exceptionnellement faible, avec un maximum de 120µA à 520V et 25°C. Cette faible fuite contribue à une haute efficacité, notamment dans les conditions de veille ou de charge légère.

2.2 Caractéristiques thermiques

Une gestion thermique efficace est essentielle pour un fonctionnement fiable. La principale métrique thermique est la résistance thermique jonction-boîtier (RθJC), spécifiée à une valeur typique de 3,6°C/W. Cette faible valeur indique un transfert de chaleur efficace de la jonction semi-conductrice vers le boîtier, permettant à la chaleur d'être dissipée efficacement via un dissipateur thermique externe fixé à la patte. La température de jonction maximale admissible (Tj) est de 175°C, et le composant peut être stocké dans une plage de température de -55°C à +175°C.

La dissipation de puissance totale (PD) est nominale à 50W à TC=25°C. Dans les applications pratiques, la dissipation de puissance réelle admissible est calculée sur la base de la température de jonction maximale, de la résistance thermique (jonction-ambiance, RθJA, qui inclut les résistances boîtier-dissipateur et dissipateur-ambiance) et de la température ambiante. Les courbes fournies de "Dissipation de puissance" et de "Résistance thermique transitoire" sont essentielles pour la conception face à des conditions de surcharge transitoire et pour déterminer les zones de fonctionnement sûres.

3. Analyse des courbes de performance

3.1 Caractéristiques directes (VF-IF)

La courbe caractéristique VF-IF illustre la relation entre la chute de tension directe et le courant direct à différentes températures de jonction. Comme attendu pour une diode Schottky, la courbe montre une tension de seuil inférieure à celle des diodes PN en silicium. La courbe démontre également le coefficient de température positif, où VF augmente avec Tj pour un courant donné. Ce graphique est essentiel pour calculer les pertes par conduction (Ploss = VF * IF) dans différentes conditions de fonctionnement.

3.2 Caractéristiques inverses et capacité

La courbe VR-IR montre le très faible courant de fuite inverse sur toute la plage de tension jusqu'à la tension de blocage. La courbe VR-Ct affiche la capacité de jonction en fonction de la polarisation inverse. La capacité diminue avec l'augmentation de la tension inverse (d'environ 513pF à 1V à environ 46pF à 400V), ce qui est caractéristique de la largeur de la zone de déplétion dépendante de la tension. La capacité faible et dépendante de la tension impacte la vitesse de commutation et le paramètre Qc.

3.3 Performance en régime transitoire et de surintensité

Le graphique "Caractéristiques Ip max – TC" définit le courant de surcharge non répétitif admissible (IFSM) en fonction de la température de boîtier. Le composant peut supporter une surintensité de 26A (demi-onde sinusoïdale, durée 10ms) à 25°C. Le graphique "Caractéristiques IFSM – PW" détaille davantage la capacité de courant de surintensité en fonction de la largeur d'impulsion, ce qui est vital pour concevoir la protection contre les courants d'appel ou les conditions de défaut. La courbe "Caractéristiques EC-VR" représente l'énergie capacitive stockée (EC) en fonction de la tension inverse, importante pour comprendre les pertes dans les circuits résonants.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dessin et dimensions du boîtier

Le composant est logé dans un boîtier TO-252-3L. Les dimensions critiques incluent une longueur totale du boîtier (E) de 6,60mm (typ.), une largeur (D) de 6,10mm (typ.) et une hauteur (A) de 2,30mm (typ.). Le pas des broches (e1) est de 2,28mm (de base). La grande patte métallique (boîtier) sert de chemin thermique principal et est électriquement connectée à la borne cathode. Un dessin coté détaillé avec tolérances est fourni pour la conception de l'empreinte PCB.

4.2 Configuration des broches et identification de la polarité

La configuration des broches est clairement définie : la broche 1 est la Cathode (K), la broche 2 est l'Anode (A), et le BOÎTIER (la grande patte métallique) est également connecté à la Cathode. Une identification correcte de la polarité lors de l'assemblage est cruciale pour éviter la défaillance du composant. Le modèle de pastille PCB recommandé pour le montage en surface est fourni pour assurer une formation correcte des soudures et une connexion thermique à la carte.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

En tant que composant monté en surface, cette diode est destinée aux procédés de soudage par refusion. Bien que les paramètres spécifiques du profil de refusion (préchauffage, maintien, température de pic de refusion, temps au-dessus du liquidus) ne soient pas listés dans cette fiche technique, il convient de suivre les profils de refusion standard sans plomb (Pb-Free) conformes à la norme IPC/JEDEC J-STD-020. La température maximale du corps du boîtier pendant le soudage ne doit pas dépasser la température de stockage maximale spécifiée de 175°C pendant une période prolongée. Le couple de serrage pour toute vis utilisée avec la patte (si applicable pour le refroidissement) est spécifié à 8,8 N·cm (1 lbf·in) pour les vis M3 ou 6-32.

Des précautions doivent être prises pour éviter les contraintes mécaniques sur les broches après soudure. Le composant doit être stocké dans un environnement sec et antistatique avant utilisation pour éviter l'absorption d'humidité (qui peut provoquer l'effet "pop-corn" pendant la refusion) et les dommages par décharge électrostatique.

6. Recommandations d'application

6.1 Schémas d'application typiques

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

• Correction du facteur de puissance (PFC) dans les alimentations à découpage (SMPS) :Utilisée comme diode de boost dans les étages PFC en mode conduction continue (CCM) ou en mode conduction critique (CrM). Sa commutation rapide et sa faible Qc réduisent les pertes par commutation aux hautes fréquences de ligne, améliorant l'efficacité, notamment aux hautes tensions de ligne.
• Onduleurs solaires :Employée dans l'étage de boost des micro-onduleurs photovoltaïques ou des onduleurs string pour gérer des hautes tensions et courants avec des pertes minimales, maximisant la récolte d'énergie.
• Alimentations sans interruption (ASI/UPS) :Utilisée dans l'étage de sortie onduleur ou les circuits de charge de batterie pour une commutation haute fréquence efficace.
• Variateurs de moteur :Peut être utilisée dans les circuits de roue libre ou de clampage au sein des variateurs de fréquence (VFD) pour gérer efficacement la contre-électromotrice inductive des moteurs.
• Alimentations pour centres de données :Essentielle pour atteindre une haute efficacité (par exemple, 80 Plus Titanium) dans les alimentations de serveurs où chaque point de pourcentage de réduction des pertes est critique.

6.2 Considérations de conception

Conception thermique :Le principal défi de conception est la gestion de la température de jonction. Utilisez la valeur RθJC et le Tj maximum pour calculer le refroidissement requis. La patte métallique doit être soudée sur une pastille de cuivre suffisamment grande sur le PCB, éventuellement avec des vias thermiques vers les couches internes ou un plan côté opposé, pour servir de dissipateur. Pour les applications de plus forte puissance, un dissipateur thermique externe fixé à la patte peut être nécessaire.

Fonctionnement en parallèle :Le coefficient de température positif de VF facilite le partage de courant entre les diodes montées en parallèle. Cependant, une symétrie minutieuse du layout est toujours requise pour assurer une inductance et une résistance parasites égales dans chaque branche, évitant un déséquilibre de courant lors des transitoires rapides.

Circuits d'amortissement (snubber) :Bien que la diode ait une charge de recouvrement très faible, l'inductance et la capacité parasites du circuit peuvent encore provoquer des dépassements de tension lors de l'extinction. Des circuits d'amortissement (RC ou RCD) peuvent être nécessaires pour limiter ces pointes et assurer un fonctionnement fiable dans les limites des tensions maximales.

Considérations sur la commande de grille (pour les interrupteurs associés) :La commutation rapide de cette diode peut entraîner un di/dt et dv/dt élevés. Cela peut nécessiter une attention particulière sur la conception de la commande de grille du transistor de commutation associé (par exemple, MOSFET) pour éviter un déclenchement intempestif dû à l'effet Miller ou pour gérer les interférences électromagnétiques (EMI).

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 offre des avantages distincts :

• Recouvrement inverse nul :Le mécanisme de barrière Schottky n'a pas de stockage de porteurs minoritaires, conduisant à une Qc quasi nulle. Cela élimine les pointes de courant de recouvrement inverse, réduisant les pertes par commutation dans la diode elle-même et le transistor associé, et minimisant les EMI.
• Fonctionnement à haute température :Les propriétés du matériau SiC permettent une température de jonction maximale de 175°C, supérieure à celle des composants en silicium typiques (150°C), offrant une marge de conception plus grande ou permettant l'utilisation de dissipateurs plus petits.
• Capacité haute fréquence :La combinaison d'une faible Qc et d'une faible capacité permet un fonctionnement efficace à des fréquences de commutation allant jusqu'à plusieurs centaines de kHz, dépassant les limites pratiques des FRD en silicium.
• Gains d'efficacité :La VF plus faible (comparée aux diodes PN en Si à haute température) et l'absence de pertes de recouvrement se traduisent directement par une efficacité système plus élevée, particulièrement à charge partielle et aux hautes tensions de ligne.

Le compromis traditionnellement associé aux diodes Schottky - une tension de claquage plus faible - est surmonté ici grâce au SiC, permettant la spécification 650V adaptée aux applications sur secteur universel.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Cette diode peut-elle remplacer directement une diode de recouvrement rapide en silicium dans une conception existante ?

R : Bien qu'elle puisse être un remplacement compatible au niveau des broches, une revue de conception est obligatoire. La commutation plus rapide peut exacerber les pointes de tension dues aux parasites du circuit. Les performances thermiques seront également différentes. Les valeurs des circuits d'amortissement et le refroidissement doivent être réévalués.

Q : Pourquoi le boîtier est-il connecté à la cathode ? Cela nécessite-t-il une isolation ?

R : Oui, la patte métallique est sous tension (au potentiel cathode). La pastille PCB à laquelle elle se connecte doit être sur le réseau cathode. Si la patte est fixée à un dissipateur thermique externe, ce dissipateur doit être électriquement isolé des autres potentiels ou du châssis du système, sauf si le châssis est également au potentiel cathode.

Q : Comment s'applique le courant de surintensité nominal (IFSM) ?

R : Le courant IFSM nominal de 26A (10ms, demi-sinus) est pour des événements non répétitifs comme l'appel de démarrage ou la coupure de défaut. Il ne doit pas être utilisé pour calculer la capacité en courant continu. La courbe "IFSM – PW" doit être consultée pour d'autres durées d'impulsion.

Q : Quelle est la signification du paramètre Énergie stockée dans la capacité (EC) ?

R : Dans des applications comme les convertisseurs résonants LLC, la capacité de sortie (Coss) de la diode est déchargée à chaque cycle de commutation, provoquant une perte. EC quantifie cette perte. Un EC plus faible signifie une perte capacitive par commutation plus faible.

9. Étude de cas pratique de conception

Scénario : Conception d'un étage PFC de 1kW, efficacité 80 Plus Titanium, pour une alimentation de serveur.

La conception utilise une topologie entrelacée en mode conduction critique (CrM) commutant à 100kHz. Chaque phase traite 500W. La diode de boost doit bloquer jusqu'à 400VDC et supporter un courant de crête d'environ 10A. Une diode ultrarapide en silicium a d'abord été envisagée, mais le calcul a montré qu'elle aurait plus de 5W de pertes liées au recouvrement par phase à haute tension de ligne.

En substituant cette diode Schottky SiC 650V, la perte de recouvrement est éliminée. Les pertes restantes sont principalement les pertes par conduction (basées sur VF et le courant efficace) et une petite perte capacitive (basée sur EC). Le calcul thermique, utilisant RθJC=3,6°C/W et un Tj max conçu de 125°C, montre que l'élévation de température de la jonction de la diode est gérable avec la surface de cuivre du PCB comme dissipateur principal. Cette substitution contribue directement à atteindre l'exigence d'efficacité >96% à 230VAC d'entrée pour la norme Titanium, tout en permettant également de réduire la taille des composants magnétiques grâce à la haute fréquence de commutation propre.

10. Principe de fonctionnement

Une diode Schottky est formée par une jonction métal-semi-conducteur, contrairement à la jonction semi-conducteur p-n d'une diode standard. Dans cette diode Schottky SiC, un contact métallique est réalisé 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). En polarisation inverse, la barrière s'élargit, bloquant le flux de courant.

La distinction cruciale est que le transport de courant est dominé par les porteurs majoritaires (électrons dans le SiC de type n). Il n'y a pas d'injection, de stockage et d'élimination ultérieure de porteurs minoritaires (trous) comme dans une diode à jonction PN. Par conséquent, lorsque la diode passe de la conduction directe au blocage inverse, il n'y a pas de pic de courant de recouvrement inverse ni de temps de retard associé. La diode s'éteint presque instantanément, limitée uniquement par la charge de sa capacité de jonction. Ce principe fondamental est à l'origine de ses performances de commutation à haute vitesse et de ses faibles pertes par commutation.

11. Tendances technologiques

Les composants de puissance en carbure de silicium représentent une tendance significative en électronique de puissance, permettant des efficacités, densités de puissance et températures de fonctionnement plus élevées que les composants à base de silicium. Pour les diodes, l'évolution va vers des tensions nominales plus élevées (maintenant couramment 650V et 1200V, avec l'émergence de 1700V et 3300V), des chutes de tension directes plus faibles et des capacités réduites. Le boîtier TO-252-3L (DPAK) utilisé ici est un standard pour la puissance montée en surface, mais il existe une tendance parallèle vers des boîtiers à inductance encore plus faible et à meilleures performances thermiques comme le TOLL (TO-leadless) et le D2PAK-7L pour les applications les plus exigeantes. L'intégration est une autre tendance, avec des modules "demi-pont" co-packagés MOSFET SiC et diode Schottky qui deviennent disponibles pour minimiser l'inductance parasite dans les cellules de commutation. La réduction continue du coût des substrats SiC rend cette technologie accessible pour un plus large éventail d'applications au-delà des alimentations premium pour serveurs et télécoms, y compris les chargeurs embarqués automobiles, les variateurs de moteurs industriels et les appareils grand public recherchant des normes d'efficacité plus élevées.