TO-220-2L 650V SiC 쇼트키 다이오드 EL-SAF01 665JA 데이터시트 - 패키지 15.6x9.99x4.5mm - 전압 650V - 전류 16A - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

EL-SAF01 665JA는 고효율, 고주파수 전력 변환 응용 분야를 위해 설계된 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 장벽 다이오드입니다. 표준 TO-220-2L 패키지로 캡슐화된 이 소자는 실리콘 카바이드의 우수한 재료 특성을 활용하여 기존 실리콘 기반 다이오드를 크게 능가하는 성능 특성을 제공합니다. 그 핵심 기능은 최소한의 스위칭 손실과 역회복 전하로 단방향 전류 흐름을 제공하는 것으로, 효율성과 전력 밀도가 중요한 현대 전원 공급 장치 및 인버터에 이상적인 선택입니다.

이 부품의 주요 시장은 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS), 태양광 에너지 변환 시스템, 무정전 전원 공급 장치(UPS), 모터 드라이브 컨트롤러 및 데이터 센터 전력 인프라를 작업하는 설계자 및 엔지니어를 포함합니다. 그 주요 장점은 더 높은 주파수에서 동작하는 시스템 설계를 가능하게 하여, 이는 수동 부품(인덕터 및 커패시터와 같은)의 크기를 줄여 전체 시스템 비용과 크기를 절감할 수 있게 합니다. 또한, 낮은 열저항은 냉각 요구 사항을 줄여 더 간단하고 신뢰할 수 있는 열 관리 솔루션에 기여합니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 전기적 특성

전기적 파라미터는 특정 조건에서 다이오드의 동작 한계와 성능을 정의합니다.

• 최대 반복 피크 역전압 (VRRM):650V. 이는 다이오드가 항복 없이 역바이어스 방향으로 견딜 수 있는 최대 순간 전압입니다. 400VAC 정류 또는 부스트 PFC 단계와 같은 응용 분야의 전압 정격을 정의합니다.
• 연속 순방향 전류 (IF):16A. 이는 소자가 연속적으로 전도할 수 있는 최대 평균 순방향 전류로, 일반적으로 케이스 온도(Tc) 25°C에서 지정됩니다. 더 높은 주변 온도에서는 감액이 필요합니다.
• 순방향 전압 (VF):IF=16A 및 Tj=25°C에서 일반적으로 1.5V, 최대 1.85V. 이 파라미터는 전도 손실(P_loss = VF * IF)을 계산하는 데 중요합니다. 데이터시트는 또한 최대 접합 온도(Tj=175°C)에서의 VF를 지정하며, 이는 일반적으로 더 높습니다(1.9V typ.), 최악의 경우 손실 계산에 중요합니다.
• 역전류 (IR):매우 낮은 누설 전류, VR=520V 및 Tj=25°C에서 일반적으로 2µA. 고온(175°C)에서도 일반적으로 30µA로 관리 가능한 수준을 유지합니다. 낮은 누설은 대기 전력 손실을 최소화합니다.
• 총 정전 용량 전하 (QC):SiC 쇼트키 다이오드의 중요한 파라미터로, VR=400V에서 일반적으로 22nC로 지정됩니다. 기존 다이오드와 달리, SiC 쇼트키는 소수 캐리어 저장이 없으므로 스위칭 손실은 주로 정전 용량적입니다. QC는 각 스위칭 사이클 동안 공급/방전되어야 하는 전하를 나타내며, 스위칭 손실(E_sw ~ 0.5 * QC * V)에 직접 영향을 미칩니다. 이 낮은 값은 고주파수 동작을 가능하게 합니다.

2.2 열적 특성

열 관리는 신뢰성과 성능에 매우 중요합니다.

• 접합-케이스 열저항 (RθJC):일반적으로 1.3°C/W. 이 낮은 값은 반도체 접합에서 패키지 케이스로의 효율적인 열 전달을 나타냅니다. 이는 전력 소산(전도 및 스위칭 손실)에 의해 생성된 열이 케이스에 부착된 방열판을 통해 효과적으로 제거될 수 있게 합니다.
• 최대 접합 온도 (TJ):175°C. 실리콘 카바이드 접합이 도달할 수 있는 절대 최대 온도입니다. 이 한계에 가깝게 동작하면 장기적인 신뢰성이 감소하므로 설계 마진을 권장합니다.
• 총 전력 소산 (PD):Tc=25°C에서 115W. 이는 이상적인 냉각 조건(케이스가 25°C로 유지됨)에서 소자가 소산할 수 있는 최대 전력입니다. 실제 응용 분야에서는 허용 가능한 소산이 더 낮으며, 방열판이 케이스 온도를 낮게 유지하는 능력에 따라 달라집니다.

2.3 최대 정격 및 내구성

이러한 정격은 영구적인 손상이 발생할 수 있는 절대 한계를 정의합니다.

• 서지 비반복 순방향 전류 (IFSM):10ms 반사인파에 대해 56A. 이 정격은 다이오드의 단락 또는 돌입 전류 이벤트를 견딜 수 있는 능력을 나타내며, 고장 조건에서의 신뢰성에 대한 핵심 요소입니다.
• PCB 설계를 위해 표면 실장 리드 형상 패드 레이아웃이 제안됩니다. 이는 소자가 PCB에 장착될 때(일반적으로 방열판과 함께) 적절한 솔더 조인트 형성과 기계적 안정성을 보장합니다.-55°C ~ +175°C. 전원이 공급되지 않을 때 소자의 안전한 온도 범위를 정의합니다.
• 장착 토크 (Md):M3 또는 6-32 나사의 경우 0.8 ~ 8.8 N·m (또는 7 ~ 78 lbf·in). 적절한 토크는 패키지 탭과 방열판 사이의 좋은 열 접촉을 위해 필수적입니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 상세 설계에 필수적인 소자 동작의 여러 그래픽 표현을 제공합니다.

• VF-IF 특성:이 그래프는 다른 접합 온도에서 순방향 전압과 순방향 전류 사이의 관계를 보여줍니다. 이는 표에 주어진 단일 데이터 포인트뿐만 아니라 다양한 동작 지점에서의 전도 손실을 정확하게 계산하는 데 사용됩니다. 곡선은 일반적으로 주어진 전류에 대해 VF가 온도가 증가함에 따라 약간 감소한다는 것을 보여줍니다(낮은 전류에서 VF에 대한 음의 온도 계수, 높은 전류에서 양의 온도 계수로 변함), 이는 쇼트키 다이오드의 특성입니다.
• VR-IR 특성:일반적으로 여러 온도에서 역전압에 대한 역누설 전류를 플롯합니다. 이는 설계자가 오프 상태 손실을 이해하고 응용 분야의 최대 전압 및 온도에서의 누설이 허용 가능한지 확인하는 데 도움이 됩니다.
• VR-Ct 특성:다이오드의 접합 정전 용량(Ct)이 역전압(VR)에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다. 정전 용량은 역전압이 증가함에 따라 감소합니다. 이 그래프는 정전 용량적 스위칭 동작을 모델링하고 특정 동작 전압에 대한 QC를 계산하는 데 매우 중요합니다.
• 최대 Ip – TC 특성:케이스 온도(TC)가 증가함에 따라 최대 허용 연속 순방향 전류(Ip)가 어떻게 감액되어야 하는지 설명합니다. 이는 열 설계를 위한 주요 그래프로, 필요한 방열판 성능을 지시합니다.
• 전력 소산 대 TC:전류 감액과 유사하게, 이는 케이스 온도가 상승함에 따라 최대 허용 전력 소산이 어떻게 감소하는지 보여줍니다.
• IFSM – PW 특성:표준 10ms 이외의 펄스 폭(PW)에 대한 서지 전류 능력을 상세히 설명합니다. 다양한 과도 조건에서의 생존 가능성을 평가할 수 있게 합니다.
• EC-VR 특성:저장된 정전 용량 에너지(EC)를 역전압에 대해 플롯합니다. 스위칭 손실 에너지는 이로부터 도출될 수 있습니다(E_sw ≈ EC).
• 과도 열 임피던스 대 펄스 폭:짧은 전력 펄스 동안의 온도 상승을 평가하는 데 중요합니다. 단일 짧은 펄스에 대한 열 임피던스는 정상 상태 RθJC보다 낮아, 접합을 과열시키지 않고 더 높은 순간 전력을 허용합니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 외형 및 치수

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

• 전체 길이 (D): 15.6 mm (typ.)
• 전체 너비 (E): 9.99 mm (typ.)전체 높이 (A): 4.5 mm (typ.)
• 리드 간격 (e1): 5.08 mm (기본, 고정)
• 장착 구멍 거리 (E3): 8.70 mm (참조)
• 기계적 통합 및 PCB 풋프린트 설계를 위해 탭 치수 및 리드 형상 세부 사항이 제공됩니다.

4.2 핀 구성 및 극성

핀아웃은 명확하게 정의됩니다:

• 핀 1:캐소드(K).
• 핀 2:애노드(A).
• 케이스 (금속 탭):이것은 캐소드(핀 1)에 전기적으로 연결되어 있습니다. 이 연결은 안전 및 설계에 중요합니다: 방열판은 캐소드 전위에 있게 되므로, 다른 전위에 있는 다른 시스템 부품(예: 섀시 접지)과는 절연되어야 합니다. 적절한 절연 키트(운모/와셔, 실리콘 패드)가 필요합니다.

4.3 권장 PCB 패드 레이아웃

A surface-mount leadform pad layout is suggested for PCB design. This ensures proper solder joint formation and mechanical stability when the device is mounted on a PCB, typically in conjunction with a heatsink.

5. 솔더링 및 조립 지침

제공된 발췌문에 특정 리플로우 프로파일이 상세히 설명되어 있지 않지만, TO-220 패키지의 전력 소자에 대한 일반 지침이 적용됩니다:

• 취급:SiC 소자는 민감할 수 있으므로 ESD(정전기 방전) 예방 조치를 준수하십시오.
• 솔더링:리드의 스루홀 장착의 경우 표준 웨이브 또는 핸드 솔더링 기술을 사용할 수 있습니다. 패키지 본체 온도는 장기간 최대 보관 온도(175°C)를 초과해서는 안 됩니다. 표면 실장 리드 형상의 경우, 무연 조립에 대한 표준 리플로우 솔더링 프로파일(피크 온도 일반적으로 245-260°C)을 따르십시오.
• 방열판 장착:
  1. 방열판과 다이오드 탭의 장착 표면이 깨끗하고 평평하며 버가 없도록 하십시오.
  2. 열 전달을 개선하기 위해 얇고 균일한 열 인터페이스 재료(열 그리스 또는 패드) 층을 도포하십시오.
  3. 전기적 절연이 필요한 경우, 절연 와셔(예: 운모, 폴리이미드) 및 나사를 위한 숄더 와셔를 사용하십시오. 절연체 양쪽에 열 화합물을 도포하십시오.
  4. M3 또는 6-32 나사와 너트를 사용하여 지정된 장착 토크(0.8 ~ 8.8 N·m)로 다이오드를 고정하십시오. 패키지를 균열시키거나 나사산을 손상시킬 수 있는 과도한 조임을 피하십시오.
• 보관:지정된 온도 범위(-55°C ~ +175°C) 내에서 건조한 정전기 방지 환경에 보관하십시오.

6. 응용 제안

6.1 대표적인 응용 회로

• 역률 보정(PFC) 부스트 다이오드:연속 전도 모드(CCM) 부스트 PFC 회로에서, 다이오드의 낮은 Qc와 빠른 스위칭은 고 스위칭 주파수(예: 65-100 kHz)에서 고효율을 위해 필수적입니다. 메인 스위치가 켜질 때 높은 전압 스트레스를 처리합니다.
• 태양광 마이크로인버터 출력 단:고주파수 인버터 브리지 또는 플라이휠 다이오드로 사용됩니다. 그 높은 온도 능력은 태양광 응용 분야의 까다로운 환경 조건에 적합합니다.
• 무정전 전원 공급 장치(UPS) 인버터/컨버터:DC-AC 인버터 또는 DC-DC 컨버터 단계에서 플라이휠 또는 클램핑 다이오드로 기능하여 전체 시스템 효율성을 향상시킵니다.
• 모터 드라이브 DC 버스 클램핑/플라이백 다이오드:모터 권선으로부터의 인덕티브 에너지를 클램핑하여 IGBT 또는 MOSFET을 전압 스파이크로부터 보호합니다.

6.2 핵심 설계 고려사항

• 스너버 회로:매우 빠른 스위칭과 낮은 Qc로 인해, 회로의 기생 인덕턴스가 상당한 전압 오버슈트(L*di/dt)를 유발할 수 있습니다. 루프 면적을 최소화하기 위한 신중한 PCB 레이아웃이 매우 중요합니다. 링잉을 감쇠시키기 위해 다이오드 양단에 RC 스너버가 필요할 수 있습니다.
• 열 설계:총 전력 손실을 계산하십시오(P_conduction = VF_avg * IF_avg, P_switching ≈ 0.5 * QC * V * f_sw). 최대 접합 온도(Tj_max=175°C), 열저항 RθJC 및 추정된 방열판 열저항(RθSA)을 사용하여 Tj가 안전 마진(예: 150°C 이하) 내에 유지되도록 하십시오.
• 병렬 동작:The datasheet states the device can be paralleled without thermal runaway. This is due to the positive temperature coefficient of forward voltage at high currents, which promotes current sharing. However, for optimal sharing, ensure symmetrical layout and use individual gate resistors if driving associated switches.
• 전압 감액:장기적인 신뢰성을 향상시키기 위해, 특히 고온 또는 고신뢰성 응용 분야에서는 동작 역전압을 감액하는 것을 고려하십시오(예: 480V 버스가 아닌 400V 버스에 650V 다이오드 사용).

7. 기술 비교 및 장점

표준 실리콘 고속 회복 다이오드(FRD) 또는 초고속 회복 다이오드(UFRD)와 비교하여, EL-SAF01 665JA는 뚜렷한 장점을 제공합니다:

• 본질적으로 제로 역회복 전하 (Qrr):실리콘 다이오드는 소수 캐리어 저장으로 인해 상당한 Qrr을 가지며, 이는 턴오프 동안 큰 전류 스파이크와 손실을 유발합니다. SiC 쇼트키 다이오드는 다수 캐리어 소자이므로 Qrr은 무시할 수 있습니다. 스위칭 손실은 순수하게 정전 용량적(QC)이며, 이는 Qrr 기반 손실보다 훨씬 낮습니다.
• 더 높은 동작 온도:실리콘 카바이드의 넓은 밴드갭은 최대 접합 온도 175°C를 허용하며, 많은 실리콘 다이오드의 150°C 또는 125°C와 비교하여 더 뜨거운 환경에서 또는 더 작은 방열판으로 동작할 수 있게 합니다.
• 더 높은 스위칭 주파수 능력:낮은 QC와 Qrr 없음의 조합은 100 kHz를 훨씬 넘는 주파수에서 효율적인 동작을 가능하게 하여 자기 부품(인덕터, 변압기)을 상당히 작게 만들 수 있습니다.
• 고온에서 더 낮은 순방향 전압:실온에서 VF는 실리콘 쇼트키와 비슷할 수 있지만, SiC 쇼트키의 VF는 온도에 따라 덜 증가하여 더 나은 고온 전도 성능을 제공합니다.

8. 자주 묻는 질문 (FAQ)

8.1 기술 파라미터 기반

Q: QC는 22nC입니다. 스위칭 손실을 어떻게 계산합니까?

A: 스위칭 사이클당 손실 에너지는 대략 E_sw ≈ 0.5 * QC * V이며, 여기서 V는 스위치 오프되는 역전압입니다. 예를 들어, 400V에서 E_sw ≈ 0.5 * 22nC * 400V = 4.4µJ입니다. 스위칭 주파수(f_sw)를 곱하여 전력 손실을 얻습니다: P_sw = E_sw * f_sw. 100 kHz에서 P_sw ≈ 0.44W입니다.

Q: 케이스가 캐소드에 연결된 이유는 무엇입니까? 항상 절연이 필요합니까?

A: 내부 다이는 열 및 기계적 이유로 캐소드 탭에 전기적으로 연결된 기판에 장착됩니다. 방열판(또는 부착된 섀시)이 회로에서 캐소드와 다른 전위에 있는 경우 절연이 필요합니다. 캐소드가 접지 전위에 있고 방열판도 접지된 경우 절연이 필요하지 않을 수 있지만, 안전을 위한 모범 사례로 종종 사용됩니다.

Q: 기존 회로에서 실리콘 다이오드를 직접 대체하여 이 다이오드를 사용할 수 있습니까?

A: 검토 없이는 직접적으로는 불가능합니다. 전압 및 전류 정격이 일치할 수 있지만, 극도로 빠른 스위칭은 느린 실리콘 다이오드에서는 문제가 되지 않았던 회로 기생 요소로 인해 심각한 전압 오버슈트와 EMI를 유발할 수 있습니다. PCB 레이아웃 및 스너버 설계를 재평가해야 합니다.

9. 실용적 설계 및 사용 사례

사례 연구: 고밀도 2kW 서버 PSU PFC 단.설계자가 80kHz CCM 부스트 PFC에서 600V/15A 실리콘 초고속 다이오드를 EL-SAF01로 교체합니다. 실리콘 다이오드는 Qrr=45nC 및 Vf=1.7V였습니다. 계산에 따르면 SiC 다이오드는 스위칭 손실을 약 60% 감소시키고(다이오드당 1.44W에서 0.58W로) 전도 손실을 약간 개선합니다. 다이오드당 0.86W 절감으로 스위칭 주파수를 140kHz로 증가시켜 부스트 인덕터 크기를 약 40% 줄여 목표 전력 밀도 증가를 달성할 수 있습니다. 총 손실이 낮아 기존 방열판은 충분히 적합합니다.

사례 연구: 태양광 마이크로인버터 H-브리지.300W 마이크로인버터에서, 네 개의 EL-SAF01 다이오드가 H-브리지 MOSFET의 플라이휠 다이오드로 사용됩니다. 그 높은 온도 정격(175°C)은 외함 온도가 70°C를 초과할 수 있는 지붕 환경에서 신뢰성을 보장합니다. 낮은 QC는 고 스위칭 주파수(예: 고주파수 PWM을 가진 16kHz 기본 주파수)에서 손실을 최소화하여 태양광 에너지 수확에 중요한 더 높은 전체 변환 효율(>96%)에 기여합니다.

10. 동작 원리

쇼트키 다이오드는 표준 PN 접합 다이오드와 달리 금속-반도체 접합에 의해 형성됩니다. EL-SAF01는 반도체로 실리콘 카바이드(SiC)를 사용합니다. 금속-SiC 인터페이스에서 형성된 쇼트키 장벽은 다수 캐리어(전자) 전도만을 허용합니다. 순방향 바이어스가 가해지면 전자가 반도체에서 금속으로 주입되어 상대적으로 낮은 순방향 전압 강하(일반적으로 0.7-1.8V)로 전류 흐름을 허용합니다. 역방향 바이어스가 가해지면 쇼트키 장벽이 전류 흐름을 방지합니다. PN 다이오드와의 주요 차이점은 소수 캐리어 주입 및 저장이 없다는 것입니다. 이는 드리프트 영역에 저장된 전하와 관련된 확산 정전 용량이 없음을 의미하며, "제로 역회복" 특성을 초래합니다. 유일한 정전 용량은 접합 공핍층 정전 용량이며, 이는 전압 의존적이고 측정 가능한 QC를 발생시킵니다. 실리콘 카바이드의 넓은 밴드갭(4H-SiC의 경우 ≈3.26 eV)은 상대적으로 작은 다이 크기에서 650V 정격을 가능하게 하는 높은 항복 전계 강도를 제공하며, 그 높은 열전도도는 열 방산에 도움이 됩니다.

11. 기술 동향

실리콘 카바이드 전력 소자, 쇼트키 다이오드 및 MOSFET을 포함하여, 더 높은 효율성, 주파수 및 전력 밀도를 향한 파워 전자 분야의 중요한 동향을 나타냅니다. 시장은 600-650V 소자(슈퍼정션 실리콘 MOSFET 및 IGBT와 경쟁)에서 산업용 모터 드라이브 및 전기 자동차 트랙션 인버터를 위한 1200V 및 1700V와 같은 더 높은 전압 등급으로 이동하고 있습니다. 동시에, 웨이퍼 크기가 증가하고(4인치에서 6인치, 현재 8인치) 제조 수율이 향상됨에 따라 앰프당 비용을 낮추는 추세가 있습니다. 통합은 또 다른 동향으로, SiC MOSFET과 쇼트키 다이오드를 결합한 모듈의 출현이 있습니다. 또한, 순방향 전압 강하를 더욱 줄이고 신뢰성을 향상시키기 위해 쇼트키 장벽 인터페이스를 개선하는 연구가 계속되고 있습니다. SiC의 채택은 전 세계적으로 에너지 효율성 표준 및 운송 및 재생 에너지 시스템의 전기화에 의해 주도되고 있습니다.