Fiche technique de diode Schottky SiC TO-252-3L - 650V, 8A, 1.5V, 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), montée dans un boîtier surface TO-252-3L (DPAK). Le composant est conçu pour les applications de conversion de puissance haute tension et haute fréquence où l'efficacité, les performances thermiques et la vitesse de commutation sont critiques. La technologie de base exploite les propriétés supérieures du carbure de silicium, ce qui permet un fonctionnement à des températures, tensions et fréquences de commutation plus élevées que les diodes au silicium traditionnelles.

Le positionnement principal de ce composant est celui de redresseur ou de diode de roue libre dans les topologies d'alimentation avancées. Ses caractéristiques intrinsèques en font un choix idéal pour les conceptions de puissance modernes et à haute densité visant à minimiser les pertes et à réduire la taille des composants passifs et des dissipateurs thermiques.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques électriques

Les paramètres électriques définissent les limites opérationnelles et les performances dans des conditions spécifiques.

• Tension inverse de crête répétitive (VRRM) :650V. Il s'agit de la tension inverse instantanée maximale que la diode peut supporter de manière répétée. Elle définit la classe de tension du composant et est cruciale pour la sélection des diodes dans des circuits comme la correction du facteur de puissance (PFC) ou les ponts onduleurs fonctionnant à partir de la tension secteur redressée.
• Courant direct continu (IF) :8A à une température de boîtier (TC) de 135°C. Ce calibre indique la capacité de conduction en courant de la diode en conduction continue, limitée par sa dissipation thermique. La spécification à une température de boîtier élevée met en évidence ses performances thermiques robustes.
• Tension directe (VF) :Typiquement 1,5V à 8A et 25°C de température de jonction (TJ), avec un maximum de 1,85V. Ce paramètre impacte directement les pertes par conduction. La VF relativement basse pour un composant SiC contribue à une efficacité système plus élevée. Notez que la VF a un coefficient de température négatif, ce qui signifie qu'elle diminue lorsque la température de jonction augmente, caractéristique des diodes Schottky.
• Courant inverse (IR) :Maximum 40 µA à 520V et 25°C. Ce courant de fuite est exceptionnellement faible, même à des tensions inverses élevées et à des températures élevées (max 20 µA à 175°C), minimisant ainsi les pertes à l'état bloqué.
• Charge capacitive totale (QC) :12 nC typique à 400V. C'est une figure de mérite clé pour les performances de commutation. Un QC plus faible signifie qu'une charge moindre doit être déplacée à chaque cycle de commutation, ce qui réduit les pertes par commutation et permet un fonctionnement à plus haute fréquence.

2.2 Valeurs maximales et caractéristiques thermiques

Ces paramètres définissent les limites absolues pour un fonctionnement sûr et la capacité du composant à gérer la chaleur.

• Courant direct de surtension non répétitif (IFSM) :14,4A pour une demi-onde sinusoïdale de 10ms. Ce calibre est vital pour survivre à des événements de court-circuit, des courants d'intrusion ou d'autres conditions de surcharge transitoires.
• Température de jonction (TJ) :Maximum 175°C. La température de fonctionnement maximale élevée est un avantage direct du matériau SiC, permettant un fonctionnement dans des environnements sévères ou des conceptions plus compactes avec une densité de puissance plus élevée.
• Résistance thermique, jonction-boîtier (RθJC) :3,7 °C/W typique. Cette faible résistance thermique indique un transfert de chaleur efficace de la jonction semi-conductrice vers le boîtier. C'est un paramètre critique pour la conception de la gestion thermique, car il détermine l'élévation de température de la jonction pour une dissipation de puissance donnée. Un RθJC plus faible permet une gestion de puissance plus élevée ou l'utilisation d'un dissipateur thermique plus petit.
• Dissipation de puissance totale (PD) :40W. C'est la puissance maximale que le composant peut dissiper, régie par la résistance thermique et la température de jonction maximale.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique comprend plusieurs courbes caractéristiques essentielles pour une conception et une simulation détaillées.

3.1 Caractéristiques directes (VF-IF)

Ce graphique trace la chute de tension directe en fonction du courant direct à différentes températures de jonction. Les concepteurs l'utilisent pour calculer précisément les pertes par conduction dans différentes conditions de fonctionnement. La courbe montre la relation exponentielle typique, la chute de tension étant plus faible à des températures plus élevées pour un courant donné.

3.2 Caractéristiques inverses (VR-IR)

Cette courbe illustre le courant de fuite inverse en fonction de la tension inverse appliquée. Elle confirme le faible courant de fuite spécifié dans le tableau sur toute la plage de tension de fonctionnement.

3.3 Caractéristiques capacitaires (VR-Ct)

Ce tracé montre la capacité de jonction (Ct) en fonction de la tension inverse (VR). La capacité diminue de manière non linéaire à mesure que la tension inverse augmente. Cette information est cruciale pour prédire le comportement en commutation, car la charge stockée (QC) est l'intégrale de cette capacité sur la tension. La diminution de la capacité avec la tension est une caractéristique favorable pour la commutation haute tension.

3.4 Dégradation du courant de surtension (IFSM – PW)

Cette caractéristique montre comment le courant de surtension admissible (IFSM) diminue à mesure que la largeur d'impulsion (PW) augmente. Elle fournit des conseils pour concevoir des circuits de protection ou évaluer la survie en conditions de défaut au-delà du calibre standard de 10ms.

3.5 Impédance thermique transitoire (ZθJC)

Cette courbe est cruciale pour évaluer les performances thermiques dans des conditions de puissance pulsée. Elle montre la résistance thermique effective de la jonction au boîtier pour des impulsions uniques de durée variable. Pour des impulsions courtes, l'impédance thermique est bien inférieure à la RθJC en régime permanent, ce qui signifie que la jonction peut supporter une puissance instantanée plus élevée sans surchauffe. C'est essentiel pour les applications avec des courants de crête élevés.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dessin et dimensions du boîtier

Le composant utilise le boîtier surface standard TO-252-3L (DPAK). Les dimensions clés de la fiche technique incluent :

• Longueur du corps du boîtier (D) : 6,10 mm (typ)
• Largeur du corps du boîtier (E) : 6,60 mm (typ)
• Hauteur totale (H) : 9,84 mm (typ)
• Pas des broches (e1) : 2,28 mm (de base)
• Longueur des broches (L) : 1,52 mm (typ)

Des dessins mécaniques détaillés avec les valeurs minimales, typiques et maximales pour toutes les dimensions critiques sont fournis pour garantir une conception d'empreinte PCB et un espace d'assemblage corrects.

4.2 Configuration des broches et polarité

Le boîtier TO-252-3L a trois points de connexion : deux broches et la languette métallique exposée (boîtier).

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

Note importante :Le boîtier est électriquement connecté à la cathode. Ceci doit être pris en compte lors de la conception du PCB pour éviter les courts-circuits accidentels. La languette constitue le chemin principal pour la dissipation thermique et doit être soudée sur une pastille de cuivre de taille appropriée sur le PCB.

4.3 Configuration recommandée des pastilles sur le PCB

Une empreinte suggérée pour les pastilles de montage en surface est incluse. Cette configuration est optimisée pour la fiabilité des soudures et les performances thermiques. Elle comporte généralement une grande pastille centrale pour la languette thermique (cathode) afin de maximiser le transfert de chaleur vers le cuivre du PCB, avec deux pastilles plus petites pour les broches d'anode et de cathode. Suivre cette recommandation aide à obtenir des cordons de soudure corrects et minimise les contraintes thermiques.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Bien que des profils de refusion spécifiques ne soient pas détaillés dans cet extrait, les recommandations générales pour les composants montés en surface en boîtier TO-252 s'appliquent.

• Soudure par refusion :Les profils de refusion standard sans plomb (Pb-free) avec une température de pic ne dépassant pas 260°C sont généralement adaptés. La grande masse thermique de la languette peut nécessiter un réglage minutieux du profil pour garantir que toutes les soudures atteignent la température de refusion appropriée.
• Manipulation :Les précautions standard contre les décharges électrostatiques (ESD) doivent être observées, comme pour tous les dispositifs semi-conducteurs.
• Stockage :Les composants doivent être stockés dans un environnement sec et contrôlé. La plage de température de stockage spécifiée est de -55°C à +175°C.

6. Suggestions d'application

6.1 Circuits d'application typiques

• Diode de boost dans les étages PFC :Sa commutation rapide et son faible QC minimisent les pertes par commutation à haute fréquence (par ex. 65-100 kHz), améliorant l'efficacité du PFC. La VRRM élevée convient aux conceptions à entrée universelle (85-265VAC).
• Redresseur de sortie dans les convertisseurs LLC résonants :La caractéristique de récupération inverse nulle élimine les pertes par récupération inverse, ce qui est un avantage majeur dans les topologies résonantes haute fréquence, conduisant à un fonctionnement plus frais et une efficacité plus élevée.
• Diode de roue libre/clamp dans les variateurs de moteur et onduleurs :Utilisée en parallèle avec des MOSFET ou IGBT de commutation pour fournir un chemin au courant de charge inductive. La commutation rapide empêche les pointes de tension et réduit la contrainte sur l'interrupteur principal.
• Bien que la diode elle-même soit très rapide, les parasites du circuit (inductance parasite) peuvent encore provoquer des dépassements de tension lors de la coupure. Des circuits d'amortissement (RC ou RCD) peuvent être nécessaires dans certaines applications à di/dt élevé pour limiter ces pointes et protéger la diode et les autres composants.Bénéficie de la haute efficacité et du fonctionnement à haute température dans les environnements extérieurs.
• Convertisseurs AC/DC et DC/DC haute densité :La combinaison de la capacité haute fréquence et du calibre haute température permet des composants magnétiques et des dissipateurs thermiques plus petits, augmentant la densité de puissance.

6.2 Considérations de conception

• Gestion thermique :Malgré son faible RθJC, un dissipateur thermique approprié est essentiel. La pastille PCB pour la languette doit être connectée à de grandes surfaces de cuivre ou à un dissipateur thermique externe pour utiliser pleinement les calibres de courant et de puissance. Des vias thermiques sous la pastille peuvent aider à transférer la chaleur vers les couches internes ou inférieures.
• Mise en parallèle de composants :La fiche technique mentionne l'avantage de "Mettre en parallèle des composants sans emballement thermique". Ceci est dû au coefficient de température positif de la tension directe dans les diodes Schottky SiC. Lorsqu'un composant chauffe, sa VF augmente légèrement, provoquant un partage de courant plus équitable avec les composants parallèles plus froids, favorisant un partage de courant stable.
• Circuits d'amortissement (snubber) :While the diode itself is very fast, circuit parasitics (stray inductance) can still cause voltage overshoot during turn-off. Snubber circuits (RC or RCD) may be necessary in some high-di/dt applications to clamp these spikes and protect the diode and other components.
• 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 à la conception de la commande de grille du MOSFET/IGBT associé pour éviter des problèmes comme le déclenchement intempestif dû à l'effet Miller.

7. Comparaison technique et avantages

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

• Courant de récupération inverse nul (Qrr=0) :C'est son avantage le plus significatif par rapport aux diodes à jonction PN au silicium. Elle élimine complètement les pertes par récupération inverse et le bruit de commutation associé, permettant une efficacité et une fréquence plus élevées.
• Tension directe plus faible que les premières diodes SiC :Les diodes Schottky SiC modernes ont considérablement réduit la VF, réduisant l'écart avec les diodes au silicium tout en conservant tous les avantages haute vitesse et haute température.
• Température de fonctionnement plus élevée :Température de jonction max 175°C contre typiquement 150°C pour le silicium, offrant une marge de conception et une fiabilité accrues dans les environnements chauds.
• Capacité de surtension supérieure :Bon calibre IFSM pour sa taille, offrant de la robustesse.
• Vs. Diode de corps d'un MOSFET SiC :Bien que la diode de corps d'un MOSFET SiC soit également une diode PIN avec une mauvaise récupération inverse, l'utilisation d'une diode Schottky SiC séparée comme diode de roue libre est souvent préférée dans les circuits à commutation dure pour éviter les pertes de la diode de corps.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Que signifie concrètement "Récupération inverse nulle" pour ma conception ?

R : Cela signifie que vous pouvez ignorer les pertes par récupération inverse dans vos calculs d'efficacité. Cela simplifie également la conception des circuits d'amortissement et réduit les interférences électromagnétiques (EMI) générées lors de la coupure de la diode.

Q : Le boîtier est connecté à la cathode. Comment l'isoler si nécessaire ?

R : L'isolation électrique nécessite l'utilisation d'un joint thermique isolant (par ex. mica, silicone) entre la languette de la diode et le dissipateur thermique, ainsi qu'une rondelle isolante pour la vis de fixation. Cela ajoute de la résistance thermique, donc le compromis doit être calculé.

Q : Puis-je utiliser cette diode à son calibre complet de 8A en continu ?

R : Seulement si vous pouvez maintenir la température du boîtier à 135°C ou moins. Le courant continu réel sera inférieur si la conception thermique entraîne une température de boîtier plus élevée. Utilisez la dissipation de puissance (PD) et la résistance thermique (RθJC) pour calculer la perte de puissance maximale admissible pour votre dissipateur thermique et vos conditions ambiantes spécifiques, puis déduisez le courant à partir de la courbe VF.

Q : Pourquoi le paramètre QC est-il important ?

R : QC représente l'énergie stockée dans la capacité de jonction de la diode. Lors de l'amorçage de l'interrupteur opposé dans un circuit, cette charge doit être éliminée, provoquant une pointe de courant. Un QC plus faible réduit cette pointe, diminuant les pertes par commutation dans l'interrupteur de commande et réduisant la contrainte sur les deux composants.

9. Étude de cas pratique de conception

Scénario :Conception d'une alimentation de serveur (PSU) de 500W, efficacité 80Plus Titanium, avec un étage PFC totem-pole sans pont fonctionnant à 100 kHz.

Défi :Les diodes ultrafast au silicium traditionnelles en position de boost PFC présentent des pertes par récupération inverse significatives à 100 kHz, limitant l'efficacité et causant des problèmes de gestion thermique.

Solution :Mise en œuvre de la diode Schottky SiC 650V comme diode de boost.

Mise en œuvre et Résultats :

1. La diode est placée dans la position standard de diode de boost.

2. En raison de sa récupération inverse nulle, la perte par commutation à la coupure est pratiquement éliminée.

3. Le faible Qc réduit la perte à l'amorçage du MOSFET complémentaire.

4. Le calibre haute température de 175°C lui permet d'être placée près d'autres composants chauds.

5. Résultat :L'efficacité mesurée de l'étage PFC augmente d'environ 0,7 % à pleine charge par rapport à la meilleure alternative au silicium. Cela contribue directement à atteindre le standard d'efficacité Titanium strict. De plus, la diode fonctionne plus fraîche, permettant une disposition plus compacte ou une réduction des besoins en flux d'air, augmentant la densité de puissance.

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 au carbure de silicium, le semi-conducteur est le SiC. La jonction métal-SiC crée une barrière Schottky qui permet une conduction par porteurs majoritaires uniquement (électrons dans un SiC de type N). Ceci contraste avec une diode PN, où la conduction implique à la fois des porteurs majoritaires et minoritaires (courant de diffusion).

L'absence d'injection et de stockage de porteurs minoritaires est la raison fondamentale de l'absence de récupération inverse. Lorsque la tension aux bornes d'une diode Schottky s'inverse, il n'y a pas de charge minoritaire stockée à extraire de la région de dérive ; le courant cesse simplement presque instantanément une fois les porteurs épuisés de la jonction. Cela se traduit par la caractéristique de "récupération inverse nulle". La commutation rapide est une conséquence directe de ce mécanisme de conduction unipolaire.

11. Tendances technologiques

Les composants de puissance au carbure de silicium sont une technologie clé pour la tendance actuelle vers une efficacité, une fréquence et une densité de puissance plus élevées dans tous les segments de l'électronique de puissance. Le marché des diodes SiC est tiré par plusieurs facteurs :

• Véhicules électriques (VE) :Demande de chargeurs embarqués (OBC) plus rapides, de convertisseurs DC-DC plus efficaces et d'onduleurs de traction avec des fréquences de commutation plus élevées.
• Énergies renouvelables :Les onduleurs solaires et éoliens bénéficient de la plus haute efficacité, qui augmente le rendement énergétique, et de la capacité de température plus élevée, qui améliore la fiabilité des installations extérieures.
• Centres de données et télécoms :La recherche d'une efficacité plus élevée (par ex. 80Plus Titanium) et d'une densité de puissance par rack accrue nécessite l'utilisation de composants avancés comme les diodes SiC dans les alimentations de serveurs et redresseurs.
• Variateurs de moteurs industriels :Recherche d'une bande passante de contrôle et d'une efficacité plus élevées.

La tendance pour les diodes Schottky SiC spécifiquement va vers une chute de tension directe plus faible (réduisant la perte par conduction), une densité de courant plus élevée (taille de puce plus petite pour un calibre donné) et une fiabilité améliorée et une réduction des coûts grâce à l'échelle de fabrication et à la maturité des procédés. L'intégration avec des MOSFET SiC dans des modules multi-puces est également une tendance croissante.