TO-220-2L SiC 쇼트키 다이오드 데이터시트 - 650V - 6A - 1.5V 순방향 전압 - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

이 문서는 TO-220-2L 패키지에 장착된 고성능 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)의 사양을 상세히 설명합니다. 본 소자는 효율성, 열 관리 및 스위칭 속도가 중요한 고전압, 고주파 전력 변환 응용 분야를 위해 설계되었습니다. SiC 기술은 우수한 재료 특성으로 인해 기존 실리콘 다이오드에 비해 상당한 이점을 제공합니다.

이 다이오드의 핵심 이점은 실리콘 카바이드를 사용한 쇼트키 장벽 구조에 있습니다. 기존의 PN 접합 다이오드와 달리, 쇼트키 다이오드는 다수 캐리어 소자로, 근본적으로 역회복 전하(Qrr) 및 관련 스위칭 손실을 제거합니다. 이 특정 SiC 구현은 상대적으로 낮은 순방향 전압 강하(VF)와 최소의 정전 용량 전하(Qc)를 유지하면서 650V의 높은 차단 전압을 가능하게 하여 실리콘 대안보다 훨씬 높은 주파수에서 동작할 수 있도록 합니다.

1.1 주요 특징 및 이점

이 다이오드의 주요 특징은 설계자에게 시스템 수준의 이점으로 직접적으로 이어집니다:

• 낮은 순방향 전압 (VF = 1.5V, 6A에서 전형값):전도 손실을 줄여 시스템 효율을 직접 개선하고 동작 중 발생하는 열을 감소시킵니다.
• 역회복이 없는 고속 스위칭:쇼트키 소자로서, 본질적으로 역회복 시간이나 전하(Qrr)가 없습니다. 이는 스위칭 손실을 최소화하고, 더 높은 주파수 동작을 가능하게 하며, 전자기 간섭(EMI)을 줄입니다.
• 높은 서지 전류 내성 (IFSM = 24A):전원 공급 장치 및 모터 드라이브에서 흔히 발생하는 전류 과도 현상 및 돌입 조건에 대한 견고성을 제공합니다.
• 높은 접합 온도 (TJ,max = 175°C):높은 주변 온도 환경에서의 동작을 가능하게 하거나 더 작은 방열판 사용을 허용하여 시스템 크기 및 비용 절감에 기여합니다.
• 병렬 동작:순방향 전압 특성의 양의 온도 계수는 열 폭주를 방지하는 데 도움이 되어, 더 높은 전류 응용 분야에서 여러 소자를 병렬로 연결하는 것을 더 안전하게 만듭니다.
• 환경 규정 준수:본 소자는 무연, 무할로겐 및 RoHS 규격을 준수하여 현대 환경 규정을 충족합니다.

1.2 목표 응용 분야

이 다이오드는 다음과 같은 다양한 전력 전자 응용 분야에 이상적으로 적합합니다:

• 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)의 역률 보정(PFC) 회로:빠른 스위칭 및 높은 전압 등급으로 인해 부스트 PFC 단계에 완벽하게 적합하여 전원 공급 장치의 전반적인 효율성 및 전력 품질을 향상시킵니다.
• 태양광 인버터:부스트 컨버터 또는 플라이휠 다이오드 위치에서 사용되어 태양광 패널의 에너지 수확 및 변환 효율을 극대화합니다.
• 무정전 전원 공급 장치(UPS):정류기 및 인버터 단계의 효율성 및 전력 밀도를 향상시킵니다.
• 모터 드라이브:인버터 브리지에서 플라이휠 또는 클램핑 다이오드 역할을 하여 가변 주파수 드라이브(VFD)에서 더 빠른 스위칭을 가능하게 하고 손실을 줄입니다.
• 데이터 센터 전력 분배:서버 전원 공급 장치 및 전력 분배 장치의 효율성을 높여 운영 비용 및 냉각 요구 사항을 줄입니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

이 섹션은 데이터시트에 명시된 주요 전기적 및 열적 파라미터에 대한 상세하고 객관적인 해석을 제공합니다.

2.1 최대 정격 및 절대 한계

이는 신뢰성을 보장하고 영구적인 손상을 방지하기 위해 어떤 동작 조건에서도 초과해서는 안 되는 스트레스 한계입니다.

• 반복 피크 역전압 (VRRM): 650V- 이는 다이오드가 반복적으로 견딜 수 있는 최대 순간 역전압입니다. 장기적인 신뢰성을 위해 충분한 디레이팅 마진(예: 예상 최대 시스템 전압보다 이 값의 20-30% 낮음)으로 설계하는 것이 중요합니다.
• 연속 순방향 전류 (IF): 6A- 이는 케이스 온도(TC)가 25°C일 때 소자가 연속적으로 전달할 수 있는 최대 DC 전류입니다. 실제 응용 분야에서는 케이스 온도가 더 높을 것이므로, 사용 가능한 연속 전류는 열 저항 및 주변 조건에 따라 디레이팅됩니다(열 특성 참조).
• 서지 비반복 순방향 전류 (IFSM): 24A- 이 정격은 시작 또는 고장 조건 중과 같은 단일, 단기간(10ms 반사인파) 서지 전류를 처리하는 다이오드의 능력을 나타냅니다. 이는 견고성을 위한 핵심 파라미터입니다.
• 접합 온도 (TJ): 175°C- 반도체 다이 자체의 최대 허용 온도입니다. 이 한계 이상으로 동작하면 즉각적인 고장 또는 가속화된 열화를 초래할 수 있습니다.

2.2 전기적 특성

이는 지정된 테스트 조건에서의 전형적인 성능 파라미터입니다.

• 순방향 전압 (VF): 1.5V (전형값) at IF=6A, TJ=25°C- 이는 전도 손실 계산(Ploss = VF * IF)을 위한 중요한 파라미터입니다. VF는 접합 온도가 증가함에 따라 증가한다는 점에 유의하십시오(175°C에서 최대 1.9V). 이는 양의 온도 계수입니다. 이 특성은 소자가 병렬로 연결될 때 전류 분배에 도움이 됩니다.
• 역 누설 전류 (IR): 0.8µA (전형값) at VR=520V, TJ=25°C- 이는 다이오드가 역바이어스되었을 때 흐르는 작은 전류입니다. 이는 온도에 따라 크게 증가하며(175°C에서 전형값 9µA), 특히 고온에서 오프 상태 손실에 기여합니다.
• 총 정전 용량 전하 (QC): 10nC (전형값) at VR=400V- 이 파라미터는 다이오드의 접합 용량과 관련된 전하를 정량화합니다. 스위칭 중에 이 전하는 공급되거나 제거되어야 하며, 스위칭 손실에 기여합니다. 낮은 QC 값은 SiC 쇼트키 다이오드의 주요 이점으로, 고주파 동작을 가능하게 합니다.
• 용량 저장 에너지 (EC): 1.5µJ (전형값) at VR=400V- 주어진 역전압에서 다이오드의 용량에 저장된 에너지를 나타냅니다(EC = 0.5 * C * V^2). 이 에너지는 각 스위칭 사이클 동안 소산되어 손실에 기여합니다.

2.3 열적 특성

열 관리는 신뢰할 수 있는 동작 및 정격 전류 달성을 위해 가장 중요합니다.

• 열 저항, 접합-케이스 간 (RθJC): 2.1°C/W (전형값)- 이는 반도체 접합에서 TO-220 패키지의 외부 케이스로의 열 흐름에 대한 저항입니다. 값이 낮을수록 다이에서의 열 전달이 더 좋음을 나타냅니다. 이 파라미터는 케이스 온도 이상의 접합 온도 상승을 계산하는 데 사용됩니다: ΔTJ = PD * RθJC, 여기서 PD는 전력 소산입니다.
• 총 전력 소산 (PD): 71W at TC=25°C- 이는 케이스가 25°C로 유지될 때 소자가 소산할 수 있는 최대 전력입니다. 실제로, 이는 디레이팅 계산에 사용되는 이론적 한계입니다. 실제 최대 전력 소산은 최대 접합 온도(175°C), 열 저항 및 방열판/주변 온도에 의해 결정됩니다.

3. 성능 곡선 분석

전형적인 성능 그래프는 다양한 동작 조건에서 소자의 동작에 대한 시각적 통찰력을 제공합니다.

3.1 VF-IF 특성

이 그래프는 다른 접합 온도에서 순방향 전압과 순방향 전류 간의 관계를 보여줍니다. 주요 관찰 사항: 곡선은 매우 낮은 전류에서 지수적이며 더 높은 전류에서 더 선형이 됩니다. 양의 온도 계수가 명확하게 나타나며, 더 높은 온도에 대해 곡선이 위쪽으로 이동합니다. 이 그래프는 특정 동작 지점에서 정확한 전도 손실을 계산하는 데 필수적입니다.

3.2 VR-IR 특성

이 그래프는 일반적으로 여러 온도에서 역 누설 전류를 역전압의 함수로 나타냅니다. 이는 누설 전류가 항복 영역에 접근할 때까지 상대적으로 낮게 유지되고 온도에 따라 지수적으로 증가하는 방식을 보여줍니다. 이 정보는 고온 응용 분야에서 오프 상태 손실을 추정하는 데 매우 중요합니다.

3.3 VR-Ct 특성

이 곡선은 총 다이오드 용량(Ct) 대 역전압(VR)을 표시합니다. 용량은 역전압이 증가함에 따라 비선형적으로 감소합니다(공핍 영역의 확장으로 인해). 이 가변 용량은 스위칭 동역학 및 QC 파라미터에 영향을 미칩니다.

3.4 최대 Ip – TC 특성

이 디레이팅 곡선은 케이스 온도(TC)가 증가함에 따라 최대 허용 연속 순방향 전류(IF)가 어떻게 감소하는지 보여줍니다. 이는 열 한계의 직접적인 적용입니다: 접합을 175°C 이하로 유지하기 위해 케이스가 더 뜨거워질수록 더 적은 전류를 통과시킬 수 있습니다. 이는 방열판 선택을 위한 기본 가이드입니다.

3.5 과도 열 임피던스

이 그래프는 과도 열 저항(ZθJC)을 펄스 폭에 대해 그립니다. 이는 짧은 전류 펄스 또는 반복적인 스위칭 이벤트 동안의 온도 상승을 평가하는 데 중요합니다. 패키지의 열 질량으로 인해 매우 짧은 펄스에 대한 유효 저항이 정상 상태 RθJC보다 낮아집니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 외형 및 치수

소자는 업계 표준 TO-220-2L 패키지를 사용합니다. 상세한 치수 도면은 전체 높이(A: 4.5mm 전형값), 리드 길이(L: 13.18mm 전형값) 및 장착 구멍 간격(D1: 9.05mm 전형값)을 포함한 모든 중요한 특징에 대한 최소, 전형 및 최대 값을 제공합니다. 적절한 PCB 레이아웃 및 기계적 장착을 위해 이러한 치수를 준수하는 것이 필요합니다.

4.2 핀 구성 및 극성

TO-220-2L 패키지는 두 개의 리드를 가집니다:

1. 핀 1: 캐소드(K).

2. 핀 2: 애노드(A).

또한, 패키지의 금속 탭(케이스)은 전기적으로 캐소드에 연결되어 있습니다. 이는 중요한 안전 및 설계 고려 사항입니다. 회로 공통이 캐소드 전위가 아닌 한, 탭은 다른 회로(예: 절연 와셔 및 슬리브 사용)와 절연되어야 합니다.

4.3 권장 PCB 패드 레이아웃

성형된 리드를 표면 실장하기 위한 제안된 풋프린트가 제공됩니다. 이 레이아웃은 웨이브 또는 리플로우 솔더링 공정 중 적절한 솔더 조인트 형성, 기계적 강도 및 열 완화를 보장합니다.

5. 장착 및 취급 지침

5.1 장착 토크

패키지를 방열판에 부착하는 데 사용되는 나사의 지정된 장착 토크는 M3 또는 6-32 나사의 경우 8.8 N·m(또는 lbf-in으로 동등)입니다. 올바른 토크를 적용하는 것이 필수적입니다: 불충분한 토크는 높은 열 저항으로 이어지고, 과도한 토크는 패키지 또는 PCB를 손상시킬 수 있습니다.

5.2 열 인터페이스

소자 케이스와 방열판 사이의 열 저항을 최소화하기 위해, 그리스, 갭 패드 또는 상변화 재료와 같은 얇은 열 인터페이스 재료(TIM) 층을 사용해야 합니다. TIM은 미세한 공기 간극을 채워 열 전달을 크게 개선합니다.

5.3 보관 조건

소자는 지정된 보관 온도 범위인 -55°C ~ +175°C 내에서 건조하고 부식성이 없는 환경에 보관해야 합니다. 솔더링 전 적절한 취급을 위해 제조업체로부터 리드에 적용 가능한 경우 Moisture Sensitivity Level (MSL) 정보를 참조해야 합니다.

6. 응용 설계 고려 사항

6.1 스너버 회로

SiC 쇼트키 다이오드는 역회복이 무시할 수 있지만, 그 접합 용량은 여전히 회로 기생 요소(스트레이 인덕턴스)와 상호 작용하여 턴오프 중 전압 오버슈트 및 링잉을 유발할 수 있습니다. 다이오드 양단에 간단한 RC 스너버 네트워크가 이러한 진동을 감쇠하고 EMI를 줄이는 데 필요할 수 있으며, 특히 높은 di/dt 회로에서 그렇습니다.

6.2 동반 스위치에 대한 게이트 드라이브 고려 사항

이 다이오드가 MOSFET 또는 IGBT와 함께 플라이휠 또는 부스트 다이오드로 사용될 때, 그 빠른 스위칭은 메인 스위치의 느린 턴온으로 인해 저해될 수 있습니다. 능동 스위치에 대해 낮은 인덕턴스 레이아웃과 강력하고 빠른 게이트 드라이버를 보장하는 것은 다이오드의 속도를 완전히 활용하고 MOSFET의 바디 다이오드 전도를 최소화하는 데 필수적입니다.

6.3 병렬 동작

VF의 양의 온도 계수는 병렬 구성에서 전류 분배를 용이하게 합니다. 그러나 최적의 동적 및 정적 전류 균형을 위해 대칭 레이아웃이 필수적입니다. 이는 각 다이오드의 애노드 및 캐소드까지 동일한 트레이스 길이 및 임피던스와 온도를 균등화하기 위해 공통 방열판에 장착하는 것을 포함합니다.

7. 기술 비교 및 이점

표준 실리콘 고속 회복 다이오드(FRD) 또는 심지어 실리콘 카바이드 MOSFET 바디 다이오드와 비교하여, 이 SiC 쇼트키 다이오드는 뚜렷한 이점을 제공합니다:

• 실리콘 FRD 대비:가장 중요한 차이는 역회복 전하(Qrr)가 없다는 것입니다. 실리콘 FRD는 상당한 Qrr을 가지고 있어, 정류 중 큰 전류 스파이크를 유발하여 높은 스위칭 손실, 메인 스위치에 대한 증가된 스트레스 및 더 큰 EMI를 초래합니다. SiC 쇼트키는 이를 제거하여 더 높은 효율성과 주파수를 가능하게 합니다.
• 실리콘 PN 다이오드 대비:회복 특성 외에도, SiC 소자는 일반적으로 고온에서 더 낮은 순방향 전압과 훨씬 더 높은 최대 접합 온도(많은 실리콘 부품의 150°C 대비 175°C)를 가져 더 컴팩트한 열 설계를 허용합니다.
• 저전압 실리콘 쇼트키 다이오드 대비:기존의 실리콘 쇼트키 다이오드는 높은 누설 전류로 인해 약 200V 미만의 차단 전압으로 제한됩니다. SiC 재료 특성은 쇼트키 장벽 설계가 우수한 스위칭 및 전도 성능을 유지하면서 650V 이상으로 확장될 수 있도록 합니다.

8. 자주 묻는 질문(FAQ)

8.1 이 다이오드에 역회복 스너버가 필요한가요?

아니요, 본질적으로 Qrr이 없기 때문에 역회복 손실을 관리하기 위한 스너버가 필요하지 않습니다. 그러나 그 접합 용량과 회로 스트레이 인덕턴스의 상호 작용으로 인한 전압 링잉을 감쇠시키기 위해 RC 스너버가 여전히 유익할 수 있습니다.

8.2 전력 소산은 어떻게 계산하나요?

전력 소산에는 두 가지 주요 구성 요소가 있습니다: 전도 손실과 용량성 스위칭 손실.

전도 손실: P_cond = VF * IF * 듀티 사이클 (여기서 VF는 동작 전류 및 접합 온도에서 취함).

용량성 스위칭 손실: P_sw_cap = 0.5 * C * V^2 * f_sw (또는 제공된 EC 값 사용). Qrr 손실은 0이므로 포함되지 않습니다. 총 PD는 이들의 합이며, 이는 열 저항과 함께 사용되어 접합 온도 상승을 계산하는 데 사용됩니다.

8.3 400V DC 버스 응용 분야에서 사용할 수 있나요?

예, 650V VRRM 다이오드는 400V DC 버스에 적절하게 정격이 지정됩니다. 일반적인 설계 관행은 20-30% 디레이팅하는 것으로, 최대 반복 역전압은 최대 시스템 전압의 1.2-1.3배여야 함을 의미합니다. 650V / 1.3 = 500V로, 과도 현상 및 스파이크를 고려하여 400V 버스에 대한 좋은 안전 마진을 제공합니다.

8.4 금속 탭에 전압이 인가되나요?

예. 데이터시트는 "케이스: 캐소드."라고 명확히 명시하고 있습니다. 금속 탭은 전기적으로 캐소드 핀에 연결되어 있습니다. 캐소드가 동일한 전위가 아닌 한, 방열판(종종 접지 또는 섀시 접지에 연결됨)과 절연되어야 합니다.

9. 실용적인 설계 예시

시나리오:범용 AC 입력(85-265VAC)에서 400V DC 출력을 갖는 1.5kW 부스트 역률 보정(PFC) 단계 설계. 스위칭 주파수는 자기 부품 크기 축소를 위해 100 kHz로 설정됩니다.

다이오드 선택 근거:부스트 다이오드는 출력 전압(400V + 리플)을 차단해야 합니다. 전압 스파이크가 예상됩니다. 650V 정격은 충분한 마진을 제공합니다. 100 kHz에서 스위칭 손실이 지배적입니다. 표준 실리콘 FRD는 이 주파수에서 금지적으로 높은 Qrr 손실을 가질 것입니다. 이 SiC 쇼트키 다이오드는 거의 0에 가까운 Qrr과 낮은 QC로 스위칭 손실을 최소화하여 고주파 동작을 실현 가능하고 효율적으로 만듭니다. 다이오드의 예상 평균 전류는 출력 전력 및 전압에서 계산됩니다. 적절히 방열판이 장착되었을 때 6A 연속 정격은 이 전력 수준에 적합합니다. 낮은 VF 또한 전도 손실을 관리 가능하게 유지합니다.

열 설계:예상 총 전력 소산(P_cond + P_sw_cap), RθJC 및 목표 최대 접합 온도(예: 신뢰성 마진을 위한 125°C)를 사용하여, 소자가 안전 한계 내에서 동작하도록 보장하기 위해 필요한 방열판 열 저항(RθSA)을 계산할 수 있습니다.

10. 기술 배경 및 동향

10.1 실리콘 카바이드(SiC) 재료 이점

실리콘 카바이드는 넓은 밴드갭 반도체 재료입니다. 그 주요 특성에는 더 높은 임계 전기장(더 얇고 더 높은 전압의 드리프트 층 허용), 더 높은 열 전도도(더 나은 열 방산), 그리고 실리콘보다 훨씬 더 높은 온도에서 동작할 수 있는 능력이 포함됩니다. 이러한 본질적인 특성들이 SiC 쇼트키 다이오드 및 기타 SiC 전력 소자의 고전압, 고온 및 고주파 성능을 가능하게 합니다.

10.2 시장 및 기술 동향

SiC 전력 소자의 채택은 더 높은 에너지 효율성, 전력 밀도 및 운송 및 산업의 전기화에 대한 세계적 수요에 의해 가속화되고 있습니다. SiC 다이오드 및 MOSFET은 고성능 태양광 인버터, 전기 자동차 온보드 충전기 및 견인 드라이브, 고급 서버 전원 공급 장치에서 표준이 되어가고 있습니다. 동향은 산업 및 자동차 응용 분야를 위한 더 높은 전압 정격(예: 1200V, 1700V), MOSFET의 더 낮은 비저항, 그리고 SiC 소자를 전력 모듈로 통합하는 쪽으로 나아가고 있습니다. 제조량이 증가하고 비용이 감소함에 따라, SiC 기술은 프리미엄 응용 분야에서 더 넓은 주류 시장으로 이동하고 있습니다.