TO-247-2L SiCショットキーダイオード データシート - 650V, 6A, 1.5V - 技術文書

1. 製品概要

本資料は、TO-247-2Lパッケージに封止さ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、高効率、高周波動作、堅牢な熱性能を要求する電力変換アプリケーション向けに設計されています。その中核機能は、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流れを提供することであり、これは従来のシリコンPN接合ダイオードに対する大きな利点です。

1.1 中核的利点とターゲット市場

このSiCショットキーダイオードの主な利点は、シリコンカーバイドの材料特性に由来します。主な利点には、導通損失を低減する低い順方向電圧降下（VF）と、本質的に高速なスイッチング能力、そして実質的に逆回復電荷（Qc）がないことが含まれます。これにより、より高い周波数での動作が可能となり、受動部品（インダクタ、コンデンサ）の小型化とシステム全体のサイズ縮小につながります。175°Cという高い最大接合温度（TJ,max）は、過酷な熱環境での動作や、より小型のヒートシンクの使用を可能にします。これらの特性から、現代の高密度電源に最適です。ターゲットアプリケーションは、効率と電力密度が重要なパラメータであるスイッチング電源（SMPS）内の力率改善（PFC）回路、太陽光発電インバータ、無停電電源装置（UPS）、モータードライブ、データセンターの電源インフラとして明確に定義されています。

2. 詳細技術パラメータ分析

データシートは、信頼性の高い回路設計に不可欠な包括的な電気的および熱的定格を提供します。これらのパラメータを理解することは、デバイスが安全動作領域（SOA）内で動作することを保証するために極めて重要です。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。通常動作を意図したものではありません。主な定格には、最大許容逆バイアスを定義する650Vの反復ピーク逆電圧（VRRM）および直流遮断電圧（VR）が含まれます。連続順方向電流（IF）は6Aで定格されており、最大接合温度と熱抵抗によって制限されます。重要なパラメータは、10ms半正弦波で24Aの非反復サージ電流（IFSM）であり、短時間の過負荷に対する堅牢性を示しています。最大接合温度（TJ）は175°C、総消費電力（PD）はケース温度（TC）25°Cで71Wと規定されていますが、これは熱管理に大きく依存します。

2.2 電気的特性

このセクションでは、指定された試験条件下での代表値および最大性能値を詳細に説明します。順方向電圧（VF）は導通損失計算のための重要なパラメータです。6A、25°Cで典型的に1.5Vであり、175°Cの高接合温度では最大1.9Vまで上昇します。逆方向リーク電流（IR）は非常に低く、520V、25°Cで典型的に0.8µAであり、SiCショットキー接合の優れた遮断能力を示しています。おそらく最も特徴的な特性は、400Vで10nCと規定された総容量性電荷（QC）です。この極めて低い値は、ほぼゼロの逆回復動作を確認するものであり、これがダイオードの高速スイッチング性能と低スイッチング損失の源です。容量性蓄積エネルギー（EC）も対応して低く、1.5µJです。

2.3 熱的特性

効果的な熱管理は信頼性にとって極めて重要です。ここでの重要なパラメータは、接合部からケースへの熱抵抗（Rth(JC)）であり、代表値は2.1°C/Wです。この低い値は、半導体チップからデバイスケースへの効率的な熱伝達を示しており、その後ヒートシンクを介して放熱されなければなりません。熱抵抗値は、消費電力と周囲/ケース温度と組み合わせて、公式 TJ = TC + (PD * Rth(JC)) を使用して実際の接合温度を計算するために使用されます。TJを175°C未満に保つことは、長期信頼性のために不可欠です。

3. 性能曲線分析

グラフデータは、様々な動作条件下でのデバイスの挙動に関する洞察を提供し、表形式データを補完します。

3.1 VF-IF特性

順方向電圧対順方向電流曲線は、ダイオードの導通挙動を示します。非常に低い電流では指数関数的関係を示し、定格6Aのような高い電流では直列抵抗が支配的となるより線形な関係に移行するのが典型的です。VFの正の温度係数（温度とともに増加する）は、並列動作にとって有益な特性であり、電流の均等分担を促進し、熱暴走を防ぎます。

3.2 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、最大許容連続順方向電流（IF）がどのように減少するかを示しています。設計者は、特定の熱環境における安全動作電流を決定するためにこのグラフを使用しなければなりません。最大ケース温度（TJ,maxより低くなります）では、許容電流は25°Cで定格の6Aよりも大幅に少なくなる可能性があります。

3.3 過渡熱インピーダンス

過渡熱抵抗対パルス幅の曲線は、スイッチングアプリケーションで一般的なパルス負荷条件下での熱性能を評価するために不可欠です。これは、非常に短いパルスでは、接合部からケースへの実効熱抵抗が定常状態のRth(JC)よりも低いことを示しており、単一の短いパルスに対する接合温度上昇は、同じ電力の連続消費時よりも少ないことを意味します。このデータは、スイッチングコンバータの損失解析に使用されます。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 ピン配置と極性

このデバイスは2本のリードを持つTO-247-2Lパッケージを使用します。ピン1はカソード（K）、ピン2はアノード（A）として識別されます。重要なことに、パッケージの金属タブまたはケースもカソードに接続されています。これは実装時に慎重に考慮する必要があります。なぜなら、ヒートシンクがカソード電位でない限り、タブは通常、ヒートシンクから電気的に絶縁する必要があるためです（絶縁ワッシャーを使用）。

4.2 パッケージ寸法と実装

データシートには、TO-247-2Lパッケージのミリメートル単位の寸法を含む詳細な機械図面が含まれています。また、表面実装リード形状のための推奨パッドレイアウトも提供されており、リードが表面実装用に形成されている場合のPCB設計に役立ちます。デバイスをヒートシンクに取り付けるために使用するネジの最大取り付けトルクは、M3または6-32ネジで8.8 Nm（または同等のlbf-in）と規定されています。正しいトルクをかけることは、パッケージを損傷することなく良好な熱接触を確保するために重要です。

5. アプリケーションガイドラインと設計上の考慮点

5.1 代表的なアプリケーション回路

強調されている主なアプリケーションは、特に昇圧コンバータトポロジーにおける力率改善（PFC）です。PFC昇圧回路では、メインスイッチがオフのときにダイオードがインダクタ電流を流します。このSiCダイオードの高速スイッチングと低Qcは、逆回復に関連するターンオフ損失を最小限に抑え、より高いスイッチング周波数を可能にします。これにより、磁性部品（昇圧インダクタ）が小型化され、電力密度が向上します。太陽光発電インバータやUPSシステムなどの他のアプリケーションも、そのDCリンクまたは出力整流段階で同様の恩恵を受けます。

5.2 熱設計と放熱

重要な設計作業は、適切なヒートシンクを選択することです。そのプロセスには以下が含まれます：1）ダイオードの総消費電力の計算（導通損失＋スイッチング損失、ただしスイッチング損失は最小限）。2）周囲温度、必要な安全マージン、および接合部-ケース間熱抵抗に基づいて最大許容ケース温度を決定。3）これを使用して、必要なヒートシンクの熱抵抗（Rth(SA)）を計算。公式は：Rth(SA) = (TC - TA) / PD - Rth(JC) - Rth(CS) です。ここで、Rth(CS)は界面材料（サーマルグリス/パッド）の熱抵抗です。低いQcは直接スイッチング損失を低減し、それがヒートシンクの要件を低減し、特徴で述べられているようにコストとサイズの削減を可能にします。

5.3 並列動作

VFの正の温度係数は、より高い電流容量のために複数のデバイスを安全に並列動作させることを容易にします。1つのダイオードが加熱されそのVFが増加すると、電流は自然に冷却された並列デバイスにシフトし、バランスの取れた電流分担を促進します。これは、並列構成で熱暴走を起こす可能性のある負の温度係数を持つ一部のダイオードと比較して大きな利点です。

6. 技術比較と差別化

標準的なシリコン高速回復ダイオード（FRD）や超高速回復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根本的な利点を提供します。シリコンダイオードは実質的な逆回復電荷（Qrr）を持ち、ターンオフ時に大きなスイッチング損失、電圧スパイク、電磁干渉（EMI）を引き起こします。SiCショットキーダイオードのQcは桁違いに低く、これらの問題を事実上排除します。シリコンカーバイドショットキーダイオードは歴史的にシリコンPNダイオードよりも高い順方向電圧降下を持っていましたが、このような最新デバイスではスイッチングの利点を保持しながら競争力のあるVF値（1.5V）を達成しています。より高い最大動作温度（シリコンの典型的な150°Cに対して175°C）も、高温環境での信頼性マージンを提供します。

7. よくある質問（技術パラメータに基づく）

7.1 "実質的にスイッチング損失なし"とはどういう意味ですか？

これは、逆回復損失がほぼ存在しないことを指します。スイッチング回路では、ダイオードが順方向導通から逆方向遮断に切り替わるとき、従来のダイオードでは蓄積された電荷を除去する必要があり、逆電流パルスとそれに関連するエネルギー損失を引き起こします。SiCショットキーダイオードのQcがわずか10nCであるということは、この電荷が極めて小さいことを意味し、導通損失と比較してスイッチング損失を無視できるほどにします。

7.2 低いQcはどのように高周波動作を可能にしますか？

スイッチング損失はスイッチング周波数に比例します。従来のダイオードでは、高い逆回復損失が過剰な発熱のために実用的な最大スイッチング周波数を制限します。SiCダイオードのスイッチング損失は最小限であるため、周波数を大幅に上げることができます。より高い周波数は、より小さなインダクタとトランスの使用を可能にし、直接的に電力密度を向上させます。

7.3 なぜケースはカソードに接続されており、その意味するところは何ですか？

これは、電気的および熱的理由からパワーパッケージで一般的な設計です。これは、主要な熱経路である金属タブが電気的に通電している（カソード電位である）ことを意味します。したがって、異なる電位の複数のデバイスが共通のヒートシンクに取り付けられている場合、短絡を防ぐために絶縁ハードウェア（マイカワッシャー、シリコンパッドなど）を使用する必要があります。熱界面材料も良好な絶縁耐力を持っている必要があります。

8. 実践的設計ケーススタディ

出力電圧400VDCの1kW、80kHz昇圧PFC段を設計することを考えます。シリコン超高速ダイオードのQrrは50nCかもしれません。サイクルあたりの逆回復損失は、0.5 * Vout * Qrr * fsw と推定できます。これは、0.5 * 400V * 50nC * 80kHz = 0.8W となります。Qc=10nCのSiCショットキーダイオードを使用すると、この損失は 0.5 * 400V * 10nC * 80kHz = 0.16W に低減され、0.64Wの節約になります。この損失低減は、接合温度を下げるか、より小型のヒートシンクの使用を可能にします。さらに、逆回復電流がないことは、メインスイッチ（MOSFET/IGBT）へのストレスを低減し、EMIを最小限に抑え、入力フィルタ設計を簡素化する可能性があります。

9. 動作原理

ショットキーダイオードは、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。シリコンカーバイドショットキーダイオードでは、金属接点が広いバンドギャップを持つSiC半導体に作られます。この構造により、所定の電流密度に対してPN接合と比較して低い順方向電圧降下が得られ、決定的に、少数キャリアの蓄積がありません。したがって、電圧が逆転したとき、逆回復電流を引き起こす少数キャリアの再結合の遅いプロセスは存在せず、接合容量が単に放電するだけです。これが、その高速スイッチング速度と低いQcの根本的な理由です。

10. 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、現代の高効率パワーエレクトロニクスの重要な基盤技術です。トレンドは、電気自動車のトラクションインバータや産業用ドライブなどのアプリケーション向けのより高い電圧定格（例：1200V、1700V）、MOSFETのより低い比オン抵抗、および信頼性の向上に向かっています。統合もトレンドであり、SiC MOSFETとショットキーダイオードをハーフブリッジまたはその他の構成で組み合わせたパワーモジュールの出現があります。製造量が増加しコストが低下するにつれて、SiC技術は、効率、周波数、電力密度が推進要因である中電力アプリケーションにおいて、シリコンIGBTとダイオードを徐々に置き換えつつあります。