TO-220-2L SiC 쇼트키 다이오드 데이터시트 - 650V 4A - 패키지 15.6x9.99x4.5mm

1. 제품 개요

본 문서는 고성능 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 장벽 다이오드의 사양을 상세히 설명합니다. 이 소자는 고효율, 고주파 동작 및 우수한 열 성능이 요구되는 파워 전자 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 표준 TO-220-2L 패키지로 캡슐화되어 까다로운 파워 변환 회로에 견고한 솔루션을 제공합니다.

이 다이오드의 핵심 장점은 실리콘 카바이드 기술을 활용한다는 점에 있습니다. 이 기술은 근본적으로 기존 실리콘 PN 접합 다이오드에 비해 낮은 순방향 전압 강하와 거의 제로에 가까운 역회복 전하를 제공합니다. 이는 직접적으로 전도 손실과 스위칭 손실을 감소시켜 더 높은 시스템 효율과 파워 밀도를 가능하게 합니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 전기적 특성

핵심 전기적 파라미터는 소자의 동작 한계와 성능을 정의합니다.

• 반복 피크 역전압 (VRRM):650V. 이는 다이오드가 반복적으로 견딜 수 있는 최대 순간 역전압입니다.
• 연속 순방향 전류 (IF):4A. 소자가 열적 특성에 의해 제한되어 연속적으로 흘릴 수 있는 최대 DC 전류입니다.
• 순방향 전압 (VF):IF=4A, Tj=25°C에서 일반적으로 1.4V, 최대 1.75V입니다. 이 낮은 VF는 SiC 쇼트키 기술의 특징으로, 전도 손실을 최소화합니다.
• 역전류 (IR):VR=520V, Tj=25°C에서 일반적으로 1µA입니다. 이 낮은 누설 전류는 차단 상태에서의 높은 효율에 기여합니다.
• 총 정전 용량 전하 (QC):VR=400V에서 6.4nC (일반값). 이는 스위칭 손실 계산을 위한 중요한 파라미터로, 각 스위칭 사이클 동안 공급/방전되어야 하는 전하를 나타냅니다. 낮은 값은 고속 스위칭을 가능하게 합니다.

2.2 최대 정격 및 열적 특성

절대 최대 정격은 영구적 손상이 발생할 수 있는 스트레스 한계를 정의합니다.

• 서지 비반복 순방향 전류 (IFSM):Tc=25°C에서 10ms 반사인파 펄스에 대해 19A. 이 정격은 소자의 단락 또는 돌입 전류 이벤트 처리 능력을 나타냅니다.
• 접합 온도 (TJ):최대 175°C. 신뢰성 있는 동작을 위한 상한선입니다.
• 총 전력 손실 (PD):Tc=25°C에서 33W. 이는 해당 케이스 온도에서 이상적인 냉각 조건 하에 패키지가 방산할 수 있는 최대 전력입니다.
• 열저항, 접합-케이스 간 (RθJC):4.5°C/W (일반값). 이 낮은 열저항은 실리콘 다이(접합)에서 패키지 케이스를 통해 외부 방열판으로 효과적인 열 전달을 위해 중요하며, 더 높은 전력 처리 능력을 가능하게 합니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 설계 및 시뮬레이션에 필수적인 여러 특성 곡선을 제공합니다.

• VF-IF 특성:이 그래프는 다른 접합 온도에서 순방향 전압과 순방향 전류 간의 관계를 보여줍니다. 전도 손실(Pcond = VF * IF) 계산에 사용됩니다.
• VR-IR 특성:역전압 및 온도의 함수로서 역누설 전류를 설명하며, 오프 상태 손실 평가에 중요합니다.
• VR-Ct 특성:다이오드의 접합 용량이 인가된 역전압에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다. 이 비선형 용량은 스위칭 속도와 링잉에 영향을 미칩니다.
• 최대 Ip – TC 특성:케이스 온도의 함수로서 허용 가능한 순방향 전류의 디레이팅을 나타냅니다.
• 전력 손실 디레이팅 곡선:케이스 온도가 증가함에 따라 최대 허용 전력 손실이 어떻게 감소하는지 보여줍니다.
• IFSM – PW 특성:다양한 펄스 폭에 대한 서지 전류 능력을 제공하며, 퓨즈 선택 및 과부하 보호 설계에 필수적입니다.
• EC-VR 특성:용량 곡선에서 도출된, 역전압에 대한 저장된 정전 용량 에너지(EC)를 도표화하며, 스위칭 손실 분석에 사용됩니다.
• 과도 열 임피던스 곡선:짧은 전력 펄스 동안 열 성능 평가에 중요하며, 이때 패키지의 열 질량이 중요해집니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 외형 및 치수

이 소자는 산업 표준 TO-220-2L (2-리드) 스루홀 패키지를 사용합니다. 주요 치수는 다음과 같습니다:

• 전체 길이 (D): 15.6 mm (일반값)
• 전체 너비 (E): 9.99 mm (일반값)
• 전체 높이 (A): 4.5 mm (일반값)
• 리드 피치 (e1): 5.08 mm (기본값)
• 장착 홀 거리 (E3): 8.70 mm (참고값)
• 장착 홀 직경: 1.70 mm (참고값)

이 패키지는 M3 또는 6-32 나사를 사용하여 방열판에 쉽게 장착되도록 설계되었으며, 지정된 최대 장착 토크는 8.8 N·m입니다.

4.2 핀 구성 및 극성 식별

핀아웃은 간단합니다:

• 핀 1:캐소드 (K)
• 핀 2:애노드 (A)
• 케이스 (탭):캐소드(K)에 전기적으로 연결되어 있습니다. 이 연결은 전기 회로 설계와 열 관리 모두에 매우 중요합니다. 탭은 일반적으로 방열판 연결에 사용되기 때문입니다.

PCB 설계 참고를 위해 리드에 권장되는 표면 실장 패드 레이아웃도 제공됩니다.

5. 솔더링 및 조립 가이드라인

이 발췌문에서는 특정 리플로우 프로파일이 상세히 설명되지 않았지만, TO-220 패키지에 대한 일반적인 고려사항이 적용됩니다:

• 핸들링:모든 반도체 소자와 마찬가지로 표준 ESD(정전기 방전) 예방 조치를 준수하십시오.
• 장착:패키지 탭과 방열판 사이에 열 인터페이스 재료(그리스 또는 패드)를 적용하여 열저항을 최소화하십시오. 패키지나 PCB를 손상시키지 않도록 지정된 최대 토크 8.8 N·m를 준수하십시오.
• 솔더링:스루홀 장착의 경우 표준 웨이브 또는 핸드 솔더링 기술을 사용할 수 있습니다. 리드는 클린칭에 적합합니다. 최적의 솔더 접합 형성과 기계적 강도를 위해 권장 패드 레이아웃을 따르십시오.
• 보관:지정된 보관 온도 범위인 -55°C ~ +175°C 내에서 건조하고 정전기 방지 환경에 보관하십시오.

6. 응용 제안

6.1 대표적인 응용 회로

데이터시트는 SiC 쇼트키 다이오드의 이점이 가장 두드러지는 몇 가지 주요 응용 분야를 명시적으로 나열합니다:

• 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)의 역률 보정(PFC):높은 스위칭 속도와 낮은 Qc는 PFC 단계의 부스트 다이오드에서 스위칭 손실을 크게 줄여 전반적인 효율을 향상시킵니다. 특히 높은 라인 주파수에서 효과적입니다.
• 태양광 인버터:출력 정류 또는 프리휠링 경로에 사용되어 손실을 최소화하고 태양광 패널의 에너지 수확량을 증가시킵니다.
• 무정전 전원 장치(UPS):인버터/충전기 섹션의 효율을 향상시켜 운영 비용을 낮추고 냉각 요구 사항을 줄입니다.
• 모터 드라이브:인버터 브리지에서 프리휠링 다이오드 역할을 하여 더 높은 스위칭 주파수로 조용한 모터 작동과 더 나은 제어를 가능하게 합니다.
• 데이터 센터 파워 서플라이:서버 PSU에서 높은 효율(예: 80 Plus Titanium)을 위한 추진력은 이 다이오드의 낮은 손실 특성을 매우 가치 있게 만듭니다.

6.2 설계 시 고려사항

• 열 관리:낮은 RθJC는 효과적인 냉각을 가능하게 하지만, 최악의 작동 조건에서 접합 온도를 175°C 미만으로 유지하려면 적절한 크기의 방열판이 여전히 필수적입니다. 설계 시 전력 손실 디레이팅 곡선을 사용하십시오.
• 스위칭 동작:회복 손실은 무시할 수 있지만, 정전 용량 스위칭 동작(Qc로 정의됨)은 여전히 고려해야 합니다. 낮은 Qc는 브리지 구성에서 반대쪽 스위치의 턴-온 손실을 최소화합니다.
• 병렬 동작:순방향 전압의 양의 온도 계수(VF는 온도가 증가함에 따라 증가)는 여러 다이오드를 병렬로 연결할 때 전류 분배를 돕고, 열 폭주를 방지하는 데 도움이 됩니다.
• 스너버 회로:매우 빠른 스위칭으로 인해 회로 레이아웃의 기생 인덕턴스에 주의를 기울여 전압 오버슈트와 링잉을 최소화해야 합니다. 레이아웃에 따라 RC 스너버가 필요할 수 있습니다.

7. 기술 비교 및 장점

표준 실리콘 고속 회복 다이오드(FRD) 또는 초고속 회복 다이오드(UFRD)와 비교하여, 이 SiC 쇼트키 다이오드는 뚜렷한 장점을 제공합니다:

• 본질적으로 제로 역회복 전하 (Qrr):PN 접합 다이오드와 달리, 쇼트키 다이오드는 다수 캐리어 소자입니다. 순방향에서 역방향 바이어스로 전환될 때 회복되어야 하는 저장된 소수 캐리어가 없습니다. 이는 역회복 손실과 관련된 노이즈를 제거합니다.
• 낮은 순방향 전압 강하:일반적인 작동 전류에서, 이 SiC 다이오드의 VF는 일반적으로 200V 미만으로 제한되는 고전압 실리콘 쇼트키 다이오드와 경쟁력이 있거나 더 낮습니다.
• 고온 동작:실리콘 카바이드 재료 특성은 많은 실리콘 대안에 비해 더 높은 접합 온도(최대 175°C)에서 신뢰성 있는 동작을 가능하게 합니다.
• 주파수 능력:낮은 Qc와 Qrr 없음의 조합은 훨씬 더 높은 스위칭 주파수에서 동작을 가능하게 하여 시스템에서 더 작은 자기 부품(인덕터, 변압기)과 커패시터를 사용할 수 있게 합니다.

8. 자주 묻는 질문 (기술 파라미터 기반)

8.1 낮은 Qc (6.4nC) 스펙의 주요 이점은 무엇인가요?

낮은 총 정전 용량 전하(Qc)는 직접적으로 더 낮은 스위칭 손실로 이어집니다. 각 스위칭 사이클 동안 다이오드의 접합 용량을 충전 및 방전하는 데 필요한 에너지(E = 1/2 * C * V^2, 또는 동등하게 Qc와 관련됨)는 손실됩니다. 더 낮은 Qc는 사이클당 낭비되는 에너지가 더 적음을 의미하며, 더 나은 효율로 더 높은 주파수 동작을 가능하게 합니다.

8.2 케이스가 캐소드에 연결되어 있습니다. 이것이 제 설계에 어떤 영향을 미치나요?

이 연결은 두 가지 이유로 중요합니다:전기적으로:방열판은 캐소드 전위에 있게 됩니다. 회로에서 캐소드가 접지 전위가 아닌 경우, 방열판이 다른 부품이나 섀시 접지로부터 적절히 절연되어 있는지 확인해야 합니다. 일반적으로 절연 와셔와 부싱이 필요합니다.열적으로:금속 탭을 통해 실리콘 다이(접합)에서 외부 방열판으로 우수한 저임피던스 열 경로를 제공하며, 이는 열 방산에 필수적입니다.

8.3 동일한 전압/전류 정격의 실리콘 다이오드를 대체하기 위해 이 다이오드를 사용할 수 있나요?

종종 가능하지만, 직접 대체는 최적의 결과를 얻지 못할 수 있습니다. SiC 다이오드는 낮은 손실로 인해 더 시원하게 작동할 가능성이 높습니다. 그러나 다음을 재평가해야 합니다: 1)스너빙/링잉:더 빠른 스위칭은 기생 인덕턴스를 더 많이 자극할 수 있어 레이아웃 변경이나 스너버가 필요할 수 있습니다. 2)게이트 드라이브:브리지의 프리휠링 다이오드를 교체하는 경우, 반대쪽 스위치는 다이오드의 용량으로 인해 더 높은 턴-온 전류 스파이크를 경험할 수 있습니다(역회복은 없지만). 드라이버의 능력을 확인해야 합니다. 3)열 설계:손실은 더 낮지만, 새로운 손실 계산을 확인하고 방열판이 여전히 적절한지 확인하십시오. 비록 이제는 과도하게 크게 설계되었을 수 있습니다.

9. 실용 설계 사례 연구

시나리오:400VDC 출력의 500W, 100kHz 부스트 역률 보정(PFC) 단계 설계.

선택 근거:PFC 회로의 부스트 다이오드는 고주파에서 연속 전도 모드(CCM)로 동작합니다. 표준 600V 실리콘 초고속 다이오드는 Qrr이 50-100nC이고 Vf가 1.7-2.0V일 수 있습니다. 스위칭 손실(Qrr * Vout * fsw에 비례)과 전도 손실(Vf * Iavg)은 상당할 것입니다.

이 SiC 쇼트키 다이오드 사용:

• 스위칭 손실:역회복 손실이 제거됩니다. 남아 있는 정전 용량 스위칭 손실은 Qc=6.4nC를 기반으로 하며, 이는 실리콘 다이오드의 Qrr보다 한 자릿수 낮습니다.
• 전도 손실:일반적인 Vf가 1.4V 대 1.8V이므로, 전도 손실이 20% 이상 감소합니다.
• 결과:총 다이오드 손실이 급격히 감소합니다. 이는 다음 중 하나를 가능하게 합니다: a) 더 높은 시스템 효율로 80 Plus Titanium과 같은 더 엄격한 표준 충족, 또는 b) 더 높은 스위칭 주파수(예: 150-200kHz)에서 동작하여 더 작고 가벼운 부스트 인덕터 사용 가능. 발생 열 감소는 열 관리를 단순화하고, 더 작은 방열판 사용을 가능하게 할 수 있습니다.

10. 동작 원리 소개

쇼트키 장벽 다이오드는 표준 다이오드의 P-N 반도체 접합과 달리 금속-반도체 접합에 의해 형성됩니다. 이 SiC 쇼트키 다이오드에서는 실리콘 카바이드(구체적으로, N형 SiC)에 금속 접촉이 이루어집니다.

근본적인 차이는 전하 수송에 있습니다. PN 다이오드에서 순방향 전도는 저장되는 소수 캐리어(N측으로 정공 주입, P측으로 전자 주입)를 포함합니다. 전압이 반전되면, 이 저장된 캐리어는 다이오드가 전압을 차단하기 전에 제거(재결합 또는 쓸어냄)되어야 하며, 이로 인해 역회복 전류와 손실이 발생합니다.

쇼트키 다이오드에서 전도는 다수 캐리어(N-SiC의 전자)가 금속-반도체 장벽을 넘어 흐르는 것을 통해 발생합니다. 소수 캐리어가 주입되고 저장되지 않습니다. 따라서 인가된 전압이 반전되면, 전자가 단순히 끌려가면서 다이오드는 거의 즉시 전도를 멈출 수 있습니다. 이는 특징적인 거의 제로 역회복 시간과 전하(Qrr)를 초래합니다. 실리콘 카바이드 기판은 상대적으로 낮은 순방향 전압 강하와 우수한 열전도율을 유지하면서 높은 항복 전압(650V)을 달성하는 데 필요한 재료 특성을 제공합니다.

11. 기술 동향

실리콘 카바이드(SiC) 파워 소자는 전 세계적으로 더 높은 효율, 파워 밀도 및 신뢰성에 대한 수요에 의해 추진되는 파워 전자 분야의 중요한 동향을 나타냅니다. 주요 동향은 다음과 같습니다:

• 전압 스케일링:650V는 PFC 및 태양광과 같은 응용 분야에서 주류 전압이지만, SiC 쇼트키 다이오드는 이제 1200V 및 1700V에서 일반적으로 이용 가능하며, 실리콘 IGBT 프리휠링 다이오드와 직접 경쟁하고 전기 자동차 트랙션 인버터 및 산업 드라이브에서 새로운 응용 분야를 가능하게 합니다.
• 통합:일반 파워 모듈에서 SiC 쇼트키 다이오드를 실리콘 또는 SiC MOSFET과 함께 공동 패키징하는 방향으로 움직이고 있으며, 기생 인덕턴스를 최소화하는 최적화된 "하프 브리지" 또는 "풀 브리지" 빌딩 블록을 만듭니다.
• 비용 절감:웨이퍼 제조 규모가 확대되고 결함 밀도가 감소함에 따라, 실리콘 대비 SiC의 비용 프리미엄은 계속 축소되어 소비자 파워 서플라이 및 자동차와 같은 비용 민감한 대량 응용 분야에서의 채택을 가속화하고 있습니다.
• 상호 보완적 기술:SiC MOSFET 및 JFET의 개발은 시너지 효과가 있습니다. SiC 스위치와 함께 프리휠링 또는 부스트 다이오드로 SiC 쇼트키 다이오드를 사용하면 최소한의 손실로 매우 높은 주파수와 온도에서 동작할 수 있는 올-SiC 파워 스테이지를 만들 수 있습니다.

이 데이터시트에 설명된 소자는 파워 변환에서 광대역 갭 반도체로의 더 넓은 기술적 전환 속에서 기초 구성 요소입니다.