TO-247-2L 650V SiCショットキーダイオード データシート - パッケージ 16.26x20.0x4.7mm - 電圧 650V - 電流 8A - 日本語技術文書

1. 製品概要

本資料は、TO-247-2Lパッケージに収められた高性能シリコンカーバイド（SiC）ショットキーバリアダイオード（SBD）の仕様を詳細に説明します。このデバイスは、過酷な電力変換アプリケーションにおいて優れた効率と信頼性を発揮するように設計されています。その主な機能は、最小限のスイッチング損失と逆回復電荷で一方向の電流を流すことであり、従来のシリコンベースのダイオードに比べて大きな利点です。

このダイオードの主な位置付けは、近代的な高周波・高効率電力システム内です。その中核的な利点は、シリコンカーバイドの固有の材料特性に由来し、シリコンと比較してより高い温度、電圧、スイッチング周波数での動作を可能にします。目標市場は多岐にわたり、エネルギー効率、電力密度、熱管理が重要な産業を含みます。これには、産業用モータードライブ、太陽光インバータなどの再生可能エネルギーシステム、データセンター電源装置、無停電電源装置（UPS）などが含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

2.1 電気的特性

電気的パラメータは、特定の条件下でのダイオードの動作限界と性能を定義します。

• 繰り返しピーク逆電圧（VRRM）：650V。これは繰り返し印加できる最大瞬間逆電圧です。これはデバイスの電圧定格を定義し、通常は安全マージンを持たせて、所定のバス電圧用にダイオードを選択する上で極めて重要です。
• 連続順方向電流（IF）：8A。これはダイオードが連続的に流すことができる最大平均順方向電流であり、最大接合温度と熱抵抗によって制限されます。8Aの値は、ケース温度（TC）25°Cで規定されています。実際のアプリケーションでは、実際の動作温度に基づくデレーティングが必要です。
• 順方向電圧（VF）：8A、接合温度（TJ）25°Cにおいて、典型的に1.5V、最大1.85V。このパラメータは、導通損失（P_conduction = VF * IF）を計算する上で重要です。低いVFはSiCショットキー技術の主要な利点であり、システム効率の向上に直接寄与します。VFは負の温度係数を持つことに注意してください。つまり、温度が上昇するとわずかに減少し、並列構成での熱暴走を防ぐのに役立ちます。
• 逆電流（IR）：520V、接合温度（TJ）25°Cにおいて、典型的に2µA。これはダイオードが逆バイアスされたときのリーク電流です。低いリーク電流はオフ状態の電力損失を最小限に抑えます。
• 総容量性電荷（QC）：VR=400Vにおいて、12 nC（典型）。これは高周波スイッチングにおける重要なパラメータです。QCは、各スイッチングサイクルで移動しなければならないダイオードの接合容量に関連する電荷を表します。低いQC値は、より低いスイッチング損失に直接つながり、より高い周波数での動作を可能にします。
• サージ非繰り返し順方向電流（IFSM）：29A。これは短時間（10ms、半正弦波）で許容される最大の非繰り返しピーク電流です。これは、起動時や負荷変動時に発生するような突入電流や故障電流に耐えるデバイスの能力を示します。

2.2 熱的特性

熱管理は信頼性と性能にとって最も重要です。

• 最大接合温度（TJ,max）：175°C。これは半導体接合が耐えられる絶対最大温度です。この限界値付近または限界値での連続動作は、デバイスの寿命を大幅に短縮します。
• 熱抵抗、接合-ケース間（RθJC）：1.9 °C/W（典型）。このパラメータは、半導体ダイ（接合）とパッケージの外部ケース間の熱インピーダンスを定量化します。値が低いほど、ダイからヒートシンクへの熱伝達が優れていることを示します。総接合温度上昇は、ΔTJ = PD * RθJC として計算できます。ここで、PDはダイオードで消費される電力です。
• 総消費電力（PD）：TC=25°Cにおいて42W。これは指定された試験条件下でデバイスが消費できる最大電力です。実際には、ケース温度が上昇するにつれて許容消費電力は減少します。

3. 性能曲線分析

データシートには、設計と分析に不可欠ないくつかの特性曲線が提供されています。

3.1 VF-IF特性

このグラフは、順方向電圧（VF）を順方向電流（IF）に対してプロットしたものです。通常、ニー電圧から始まり、その後ほぼ直線的に増加する非線形関係を示しています。設計者はこの曲線を使用して、特定の動作電流での導通損失を正確に決定します。これは単一の典型的なVF値を使用するよりも正確です。

3.2 VR-IR特性

この曲線は、印加された逆電圧（VR）の関数としての逆リーク電流（IR）を示しています。リーク電流が逆電圧と接合温度の両方とともにどのように増加するかを示しています。これは、特に高電圧アプリケーションにおいて、オフ状態の損失を推定する上で重要です。

3.3 VR-Ct特性

このグラフは、ダイオードの総容量（Ct）と逆電圧（VR）の関係を示しています。接合容量は高度に非線形であり、逆電圧が増加するにつれて大幅に減少します（1Vで208 pFから400Vで18 pFへ）。この非線形容量は、スイッチング動作とQCパラメータを計算する際の重要な要素です。

3.4 最大順方向電流 vs. ケース温度

このデレーティング曲線は、ケース温度（TC）が上昇するにつれて、許容される最大連続順方向電流（IF）がどのように減少するかを示しています。これは、すべての動作条件下で接合温度が最大定格を超えないようにするためのヒートシンク設計の基本的なガイドです。

3.5 過渡熱インピーダンス

この曲線は、過渡熱抵抗（ZθJC）をパルス幅に対してプロットしたものです。これは、スイッチングイベントやサージ状態中に発生するような、短時間の電力パルス中の接合温度上昇を評価する上で重要です。パッケージの熱容量により、非常に短いパルスでは実効熱抵抗が低くなります。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 パッケージ外形と寸法

デバイスは業界標準のTO-247-2Lパッケージを使用しています。外形図からの主要寸法には、パッケージ全長約20.0 mm、幅16.26 mm、高さ4.7 mm（リード線を除く）が含まれます。リード線は特定の厚さと間隔を持ち、標準的なPCBレイアウトおよびヒートシンク取付穴との互換性を確保します。

4.2 ピン配置と極性識別

TO-247-2Lパッケージには2本のリード線があります。ピン1はカソード（K）として識別され、ピン2はアノード（A）です。重要なことに、パッケージの金属タブまたはケースは電気的にカソードに接続されています。ヒートシンクがカソード電位でない場合、適切な電気的絶縁を確保するために、取り付け時にこの点を慎重に考慮する必要があります。表面実装リード形状を使用する場合、信頼性の高いはんだ付けと熱性能を確保するために、推奨されるPCBランドパターン（パッドレイアウト）が提供されています。

5. 取り付けおよび組立ガイドライン

適切な取り付けは性能と信頼性にとって重要です。

• 取り付けトルク：固定ネジ（M3または6-32）の推奨取り付けトルクは8.8 N·cm（または8.8 lbf-in）です。正しいトルクをかけることで、パッケージケースとヒートシンク間の最適な熱接触が確保され、パッケージを損傷することはありません。
• 熱界面材料（TIM）：ダイオードケースとヒートシンクの間には、微細な空気の隙間を埋め、熱抵抗を最小限に抑えるために、常に適切なサーマルグリースまたはパッドを使用する必要があります。
• 電気的絶縁：ケースはカソードに接続されているため、ヒートシンクが異なる電位にある場合は、電気的に絶縁されながら熱伝導性のあるパッド（例：マイカ、セラミック充填剤入りシリコーンゴム）が必要です。このパッドの絶縁電圧定格は、システムの動作電圧を超えている必要があります。
• 保管条件：デバイスは、乾燥した腐食性のない環境で、-55°Cから+175°Cの温度範囲内で保管する必要があります。

6. アプリケーション推奨事項

6.1 代表的なアプリケーション回路

このSiCショットキーダイオードは、いくつかの主要なパワーエレクトロニクス回路に理想的に適しています：

• 力率改善（PFC）：スイッチング電源（SMPS）の昇圧コンバータ段で使用されます。その高速スイッチングと低QCは、高周波（多くの場合65kHzから150kHz）でのスイッチング損失を低減し、PFC段の効率を向上させます。
• 太陽光インバータ DC-AC段：インバータブリッジまたはフリーホイーリングダイオードとして使用されます。高い電圧定格と効率は、太陽光発電の収量にとって重要な、インバータ全体の効率向上に貢献します。
• 無停電電源装置（UPS）：整流器/充電器およびインバータセクションの両方で使用されます。高いサージ耐性（IFSM）は、バッテリ充電電流や出力負荷変動に対処するのに役立ちます。
• モータードライブインバータ：出力ブリッジの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）またはMOSFETに並列に接続されたフリーホイーリングダイオードとして機能します。逆回復電荷がないため、逆回復損失と関連する電圧スパイクがなくなり、よりスムーズなスイッチングと低減された電磁干渉（EMI）が可能になります。

6.2 設計上の考慮事項

• スナバ回路：非常に高速なスイッチングと実質的に逆回復がないため、シリコンPN接合ダイオードと比較して、di/dtまたはdv/dtを制御するためのスナバ回路は簡素化されるか、不要になる場合があります。ただし、レイアウトに起因する寄生インダクタンスは依然として電圧オーバーシュートを引き起こす可能性があり、コンパクトなPCBレイアウトで最小限に抑える必要があります。
• 並列動作：VFの負の温度係数により、これらのダイオードは電流容量を増加させるための並列動作に本質的に適しています。1つのダイオードが加熱されると、そのVFが減少し、より多くの電流を分担するようになり、熱暴走ではなく電流バランスを促進します。ただし、対称的なレイアウトと熱的結合には依然として注意を払うことが推奨されます。
• ヒートシンクのサイジング：消費電力（VFとIRから計算）、RθJC、およびデレーティング曲線を使用して、ヒートシンクのサイズを正確に決定します。目標は、長期信頼性のために接合温度を175°C（例：125-150°C）より十分に低く保つことです。

7. 技術比較と利点

標準的なシリコン高速回復ダイオード（FRD）やシリコンPNダイオードと比較して、このSiCショットキーダイオードは明確な利点を提供します：

• 実質的にゼロの逆回復：ショットキーバリアは多数キャリアデバイスであり、少数キャリアデバイスであるPN接合とは異なります。これにより、蓄積電荷および関連する逆回復時間（trr）と電流（Irr）がなくなります。これが最も重要な利点であり、スイッチング損失を劇的に低減します。
• より高い動作温度：シリコンカーバイドのより広いバンドギャップにより、より高い最大接合温度（シリコンの典型的な150°Cに対して175°C）が可能になり、設計マージンが増えるか、より小さなヒートシンクの使用が可能になります。
• より高いスイッチング周波数：低QCと逆回復がないことの組み合わせにより、はるかに高い周波数での効率的な動作が可能になります。これにより、より小さな受動部品（インダクタ、コンデンサ、トランス）の使用が可能になり、電力密度が向上します。
• より低い順方向電圧降下：典型的な動作電流では、SiCショットキーダイオードは高電圧シリコンFRDと同等またはそれよりも低いVFを持つことが多く、導通損失を低減します。
• トレードオフ：歴史的に主なトレードオフはコストでしたが、SiCデバイスの価格は大幅に低下しています。また、ショットキーダイオードの逆リーク電流は一般にPNダイオードよりも高く、温度とともに急激に増加するため、非常に高温のアプリケーションでは考慮すべき点となる場合があります。

8. よくある質問（FAQ）

Q1: 実質的にスイッチング損失がないとは実際にはどういう意味ですか？

A1: ダイオードにおける主要なスイッチング損失メカニズムである逆回復損失が無視できることを意味します。ただし、接合容量の充放電（QCに関連）による損失は依然として発生します。これらの容量性損失は、特に高周波では、シリコンダイオードの逆回復損失よりも通常はるかに小さくなります。

Q2: このダイオード用のヒートシンクはどのように選択すればよいですか？

A2: まず、最悪ケースの消費電力を計算します：PD = (VF * IF_avg) + (VR * IR_avg)。予想される動作接合温度でのVFとIRの値を使用します。次に、目標の最大接合温度（例：140°C）を決定します。必要なヒートシンクの熱抵抗（RθSA）は、RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS から求めることができます。ここで、TAは周囲温度、RθCSは界面材料の熱抵抗です。

Q3: 既存の回路でシリコンダイオードの直接代替としてこのダイオードを使用できますか？

A3: 常にレビューなしで使用できるわけではありません。ピン配置とパッケージは互換性があるかもしれませんが、高速スイッチングにより、回路の寄生インダクタンスによるより高い電圧スパイクが発生する可能性があります。関連するスイッチングトランジスタのゲート駆動または制御を調整する必要があるかもしれません。より低い順方向電圧により、回路の動作がわずかに変化する可能性もあります。徹底的な設計レビューをお勧めします。

Q4: なぜケースはカソードに接続されているのですか？

A4: これはパワーパッケージでは一般的です。熱伝達に優れた大きな金属タブを電気的接続として使用できるようにします。これにより、カソード経路の寄生インダクタンスが低減され、高速スイッチングに有益です。ヒートシンクがカソード電位でない場合は、慎重な絶縁が必要です。

9. 実践的な設計ケーススタディ

シナリオ：1.5kW昇圧PFC段の設計

入力電圧範囲85-265VAC、出力電圧400VDC、スイッチング周波数100kHzを想定します。昇圧ダイオードは400Vを遮断し、インダクタ電流を流さなければなりません。計算によると、ピーク電流は約10A、ダイオードの平均電流は約4Aです。



trrが50ns、QCが30nCのシリコン超高速ダイオードでは、100kHzで大きな逆回復損失が発生します。このSiCショットキーダイオード（QC=12nC、trrなし）を選択することで、ダイオードのスイッチング損失は容量性損失のみに低減されます。これにより、効率が0.5-1.5%直接向上し、発熱が減少し、より小さなヒートシンクの使用やより高い周囲温度での動作が可能になるかもしれません。また、逆回復電流スパイクがないため、EMI低減の恩恵も受けます。

10. 動作原理

ショットキーダイオードは、半導体-半導体接合を使用する標準的なPN接合ダイオードとは異なり、金属-半導体接合によって形成されます。SiCショットキーダイオードでは、金属（例：チタン）がシリコンカーバイド上に堆積されます。これによりショットキーバリアが形成され、小さな電圧（低いVF）が印加されると順方向に自由に電流が流れます。逆方向では、バリアが電流を遮断します。導電は多数キャリア（N型SiC基板内の電子）のみに依存するため、少数キャリアの注入と蓄積がありません。その結果、電圧が逆転しても除去すべき蓄積電荷がないため、ほぼ瞬時のターンオフ特性と逆回復の欠如が生じます。

11. 技術トレンド

ショットキーダイオードやMOSFETを含むシリコンカーバイドパワーデバイスは、パワーエレクトロニクスにおける高効率、高周波、高電力密度への主要なトレンドを表しています。市場は、産業および自動車アプリケーション向けに、600-650Vデバイス（シリコンスーパージャンクションMOSFETおよびIGBTと競合）から1200Vおよび1700V定格へと移行しています。完全な高性能パワーステージのために、SiCダイオードとSiC MOSFETをモジュールに統合することが一般的になりつつあります。SiC材料の品質と製造プロセスの継続的な改善により、コストが低下し、デバイスの信頼性が向上しており、性能が重要な中・高電力アプリケーションの新設計における優先選択肢となっています。