TO-252-3L SiCショットキーダイオード データシート - 650V, 20A, 1.5V - パッケージ 6.6x9.84x2.3mm - 日本語技術文書

1. 製品概要

本資料は、表面実装型TO-252-3L（DPAK）パッケージを採用し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、効率性、電力密度、熱管理が極めて重要な高電圧・高周波電力変換アプリケーション向けに設計されています。SiC技術を活用することで、従来のシリコンPN接合ダイオードと比較して優れたスイッチング特性を実現し、システムレベルでの大幅な改善を可能にします。

このSiCショットキーダイオードの中核的な利点は、ほぼゼロの逆回復電荷にあり、ダイオードのターンオフに伴うスイッチング損失を事実上排除します。この特性は、電源装置やインバータにおけるスイッチング周波数の向上に不可欠であり、インダクタやコンデンサなどの受動部品の小型化を可能にして、全体の電力密度を高めます。低い順方向電圧降下は、さらに導通損失の低減に寄与し、動作温度範囲全体にわたるシステム効率を向上させます。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 電気的特性

本デバイスは最大繰り返しピーク逆電圧（VRRM）650Vに定格されており、十分な設計マージンを持つユニバーサルAC電源（85-265VAC）で動作するアプリケーションに適しています。連続順方向電流（IF）定格は20Aで、ケース温度（TC）25°Cにおける値です。この電流定格は熱的に制限されており、接合温度の上昇に伴って低下することに注意が必要です。詳細は熱的特性のセクションで説明します。

スイッチングダイオードの重要な性能パラメータは、総容量性電荷（Qc）です。本デバイスは、逆電圧（VR）400V、接合温度（Tj）25°Cにおいて、典型的なQcを30nCと規定しています。この低い値は、蓄積電荷が最小限であることを示しており、低スイッチング損失と高周波動作を直接実現します。順方向電圧（VF）は、25°Cで16Aを導通する際に最大1.85Vと規定され、最大接合温度175°Cでは典型的に1.9Vまで上昇します。このVFの正の温度係数はSiCショットキーダイオードの有益な特性であり、複数のデバイスを並列動作させる際の電流均等化を促進し、熱暴走を防止します。

逆方向リーク電流（IR）は非常に低く、520V、25°Cにおいて最大120µAです。この低リークは、特にスタンバイ時や軽負荷時の高効率化に貢献します。

2.2 熱的特性

信頼性の高い動作には、効果的な熱管理が不可欠です。主要な熱指標は、接合部-ケース間熱抵抗（RθJC）であり、典型的な値は3.6°C/Wと規定されています。この低い値は、半導体接合部からパッケージケースへの効率的な熱伝達を示しており、タブに取り付けられた外部ヒートシンクを介して熱を効果的に放散できます。許容最大接合温度（Tj）は175°Cで、デバイスは-55°Cから+175°Cの温度範囲で保管可能です。

総消費電力（PD）は、TC=25°Cにおいて50Wに定格されています。実際のアプリケーションでは、許容可能な実際の消費電力は、最大接合温度、熱抵抗（接合部-周囲間抵抗RθJA。ケース-ヒートシンク間およびヒートシンク-周囲間抵抗を含む）、周囲温度に基づいて計算されます。提供されている消費電力および過渡熱抵抗曲線は、過渡的な過負荷条件に対する設計や安全動作領域の決定に不可欠です。

3. 性能曲線分析

3.1 順方向特性 (VF-IF)

VF-IF特性曲線は、様々な接合温度における順方向電圧降下と順方向電流の関係を示しています。ショットキーダイオードとして期待通り、シリコンPNダイオードと比較して低いニー電圧を示します。また、この曲線は正の温度係数を示しており、特定の電流においてVFがTjの上昇とともに増加します。このグラフは、異なる動作条件下での導通損失（Ploss = VF * IF）を計算するために不可欠です。

3.2 逆方向特性と静電容量

VR-IR曲線は、ブロッキング電圧までの電圧範囲にわたる非常に低い逆方向リーク電流を示しています。VR-Ct曲線は、逆バイアスの関数としての接合容量を示しています。容量は逆電圧の増加とともに減少し（1Vで約513pFから400Vで約46pF）、これは電圧依存の空乏層幅の特性です。この低く電圧依存性のある容量は、スイッチング速度とQcパラメータに影響を与えます。

3.3 サージおよび過渡特性

最大Ip – TC特性チャートは、ケース温度の関数として許容される非繰り返しサージ電流（IFSM）を定義します。本デバイスは、25°Cで26Aのサージ（半正弦波、10ms持続時間）を処理できます。IFSM – PW特性グラフは、さらにパルス幅に対するサージ電流耐量を詳細に示しており、突入電流や故障状態に対する保護設計に不可欠です。EC-VR特性曲線は、蓄積容量性エネルギー（EC）を逆電圧に対してプロットしており、共振回路における損失を理解する上で重要です。

4. 機械的仕様とパッケージ情報

4.1 パッケージ外形と寸法

本デバイスはTO-252-3Lパッケージに収められています。重要な寸法には、パッケージ全長（E）6.60mm（typ）、幅（D）6.10mm（typ）、高さ（A）2.30mm（typ）が含まれます。リードピッチ（e1）は2.28mm（基本）です。大きな金属タブ（ケース）は主要な熱経路として機能し、カソード端子に電気的に接続されています。PCBフットプリント設計のための公差付き詳細寸法図が提供されています。

4.2 ピン配置と極性識別

ピン配置は明確に定義されています：ピン1はカソード（K）、ピン2はアノード（A）、ケース（大きな金属タブ）もカソードに接続されています。組立時の正しい極性識別は、デバイスの故障を防ぐために極めて重要です。適切なはんだ接合部の形成と基板への熱接続を確保するために、表面実装用の推奨PCBパッドレイアウトが提供されています。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

表面実装部品として、このダイオードはリフローはんだ付けプロセスを想定しています。特定のリフロープロファイルパラメータ（予熱、ソーク、リフロー最高温度、液相線以上の時間）は本データシートには記載されていませんが、IPC/JEDEC J-STD-020に準拠した標準的な無鉛（Pb-Free）リフロープロファイルに従うべきです。はんだ付け中のパッケージ本体の最高温度は、長時間にわたり規定された保管温度の最大値175°Cを超えてはなりません。タブに使用するネジ（ヒートシンク取り付け用の場合）の取り付けトルクは、M3または6-32ネジで8.8 N·cm（1 lbf·in）と規定されています。

はんだ付け後のリードへの機械的ストレスを避けるための注意が必要です。デバイスは使用前に、湿気吸収（リフロー時のポップコーン現象の原因となる可能性あり）および静電気放電による損傷を防ぐため、乾燥した静電気防止環境で保管する必要があります。

6. アプリケーション推奪事項

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、以下の高性能電力変換トポロジーに理想的に適しています：

• スイッチング電源（SMPS）における力率改善（PFC）：連続導通モード（CCM）または臨界導通モード（CrM）PFC段のブーストダイオードとして使用されます。高速スイッチングと低Qcにより、高周波でのスイッチング損失を低減し、特に高電圧入力時の効率を向上させます。
• 太陽光発電インバータ：太陽光発電マイクロインバータやストリングインバータのブースト段で採用され、最小限の損失で高電圧・大電流を処理し、発電量を最大化します。
• 無停電電源装置（UPS）：インバータ出力段やバッテリ充電回路で、効率的な高周波スイッチングを実現するために使用されます。
• モータードライブ：可変速ドライブ（VFD）内のフリーホイール回路やクランプ回路で使用され、モーターからの誘導性キックバックを効率的に処理できます。
• データセンター電源装置：サーバー電源で高効率（例：80 Plus Titanium）を達成するために不可欠であり、損失削減のわずかな割合も重要です。

6.2 設計上の考慮点

熱設計：主要な設計課題は、接合温度の管理です。RθJC値と最大Tjを利用して必要なヒートシンクを計算します。金属タブは、PCB上の十分に大きな銅パッドにはんだ付けする必要があり、内部層や裏面プレーンへの熱ビアを設けてヒートシンクとして機能させることが望ましいです。より高出力のアプリケーションでは、タブに取り付ける外部ヒートシンクが必要になる場合があります。

並列動作：VFの正の温度係数は、並列接続されたダイオード間の電流均等化を容易にします。ただし、高速過渡時の電流不均衡を防ぐために、各ブランチの寄生インダクタンスと抵抗を等しくするための注意深いレイアウト対称性が依然として必要です。

スナバ回路：このダイオードは回復電荷が非常に低いですが、寄生回路インダクタンスと容量により、ターンオフ時に電圧オーバーシュートが発生する可能性があります。これらのスパイクをクランプし、最大定格電圧内での信頼性の高い動作を確保するために、スナバ回路（RCまたはRCD）が必要になる場合があります。

ゲート駆動の考慮点（関連スイッチ用）：このダイオードの高速スイッチングは、高いdi/dtおよびdv/dtを引き起こす可能性があります。これにより、付随するスイッチングトランジスタ（例：MOSFET）のゲート駆動設計に注意を払い、ミラー効果による誤トリガを回避したり、電磁干渉（EMI）を管理したりする必要があるかもしれません。

7. 技術比較と優位性

標準的なシリコン高速回復ダイオード（FRD）やシリコンカーバイド接合バリアショットキー（JBS）ダイオードと比較して、このショットキーダイオードは明確な優位性を提供します：

• ゼロ逆回復：ショットキーバリア機構には少数キャリアの蓄積がないため、ほぼゼロのQcが実現されます。これにより、逆回復電流スパイクが排除され、ダイオード自体および付随するトランジスタのスイッチング損失が低減され、EMIが最小限に抑えられます。
• 高温動作：SiC材料の特性により、最大接合温度175°Cが可能であり、典型的なシリコンデバイス（150°C）よりも高く、より大きな設計マージンを提供するか、より小型のヒートシンクを可能にします。
• 高周波対応能力：低Qcと低容量の組み合わせにより、数百kHzに及ぶスイッチング周波数での効率的な動作が可能となり、シリコンFRDの実用的限界を超えます。
• 効率向上：低いVF（高温時のSi PNダイオードと比較して）と回復損失の不在は、特に部分負荷および高電圧入力条件下での高いシステム効率に直接つながります。

8. よくあるご質問 (FAQ)

Q: このダイオードは、既存の設計でシリコン高速回復ダイオードを直接置き換えることができますか？

A: 電気的にはピン互換の代替品となる可能性がありますが、設計レビューは必須です。高速スイッチングにより、回路の寄生要素による電圧スパイクが悪化する可能性があります。熱性能も異なります。スナバの値とヒートシンクは再評価する必要があります。

Q: なぜケースはカソードに接続されているのですか？絶縁は必要ですか？

A: はい、金属タブは通電状態（カソード電位）です。接続するPCBパッドはカソードネット上にある必要があります。タブを外部ヒートシンクに取り付ける場合、そのヒートシンクは他の電位やシステムシャーシから電気的に絶縁する必要があります（シャーシもカソード電位である場合を除く）。

Q: サージ電流定格（IFSM）はどのように適用されますか？

A: IFSM定格26A（10ms、半正弦波）は、起動時の突入電流や故障除去などの非繰り返し事象に対するものです。連続電流能力の計算には使用すべきではありません。他のパルス持続時間についてはIFSM – PW曲線を参照する必要があります。

Q: 容量蓄積エネルギー（EC）パラメータの重要性は何ですか？

A: LLC共振コンバータなどのアプリケーションでは、ダイオードの出力容量（Coss）が各スイッチングサイクルで放電され、損失が発生します。ECはこの損失を定量化します。ECが低いほど、容量性スイッチング損失が低くなります。

9. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ: サーバー電源用の1kW、80 Plus Titanium効率のPFC段を設計する。

この設計では、100kHzでスイッチングするインターリーブ臨界導通モード（CrM）トポロジーを使用します。各フェーズは500Wを処理します。ブーストダイオードは最大400VDCをブロックし、約10Aのピーク電流を流す必要があります。当初はシリコン超高速ダイオードが検討されましたが、高電圧入力時にはフェーズあたり5W以上の回復関連損失があると計算されました。

この650V SiCショットキーダイオードに置き換えることで、回復損失は排除されます。残りの損失は主に導通損失（VFと実効値電流に基づく）とわずかな容量性損失（ECに基づく）です。RθJC=3.6°C/W、設計上の最大Tjを125°Cとして熱計算を行うと、PCBの銅面積を主要なヒートシンクとして使用することで、ダイオードの接合温度上昇は管理可能であることが示されます。この置き換えは、Titanium規格の230VAC入力時における>96%の効率要件を満たすことに直接貢献すると同時に、高くクリーンなスイッチング周波数により磁性部品の小型化も可能にします。

10. 動作原理

ショットキーダイオードは、標準ダイオードのp-n半導体接合とは対照的に、金属-半導体接合によって形成されます。このSiCショットキーダイオードでは、n型シリコンカーバイドに金属接点が作られています。これによりショットキーバリアが形成され、金属（アノード）に対して半導体（カソード）が正のバイアスが印加されると、順方向に電流が容易に流れます。逆バイアスでは、バリアが広がり、電流を遮断します。

重要な違いは、電流輸送が多数キャリア（n型SiCの電子）によって支配されることです。PN接合ダイオードのように少数キャリア（正孔）の注入、蓄積、およびその後の除去はありません。したがって、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、逆回復電流スパイクや関連する遅延時間は発生しません。ダイオードは、その接合容量の充電によってのみ制限され、ほぼ瞬時にターンオフします。この基本原理が、高速スイッチング性能と低スイッチング損失の源です。

11. 技術トレンド

シリコンカーバイドパワーデバイスは、シリコンベースのデバイスよりも高い効率、電力密度、動作温度を可能にする、パワーエレクトロニクスにおける重要なトレンドを表しています。ダイオードにおいては、より高い電圧定格（現在一般的な650Vおよび1200Vから、1700Vおよび3300Vが登場）、より低い順方向電圧降下、および低減された容量に向けた進化が進んでいます。ここで使用されているTO-252-3L（DPAK）パッケージは表面実装パワーの主力ですが、最高性能アプリケーション向けに、TOLL（TO-leadless）やD2PAK-7Lなど、さらに低インダクタンスで熱性能に優れたパッケージへの並行したトレンドもあります。統合は別のトレンドであり、スイッチングセルでの寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、SiC MOSFETとショットキーダイオードを共同パッケージ化したハーフブリッジモジュールが利用可能になっています。SiC基板のコスト継続的な低下により、この技術は、プレミアムサーバーや通信電源を超えて、車載充電器、産業用モータードライブ、より高い効率基準を求める民生家電など、より広範なアプリケーションで利用可能になっています。