TO-247-2L 650V SiC 쇼트키 다이오드 데이터시트 - 패키지 16.26x20.0x4.7mm - 정격전압 650V - 정격전류 8A - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

본 문서는 TO-247-2L 패키지에 장착된 고성능 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)의 사양을 상세히 설명합니다. 이 소자는 까다로운 전력 변환 애플리케이션에서 우수한 효율성과 신뢰성을 제공하도록 설계되었습니다. 그 핵심 기능은 최소한의 스위칭 손실과 역회복 전하로 단방향 전류 흐름을 제공하는 것으로, 이는 기존의 실리콘 기반 다이오드에 비해 상당한 장점입니다.

이 다이오드의 주요 포지셔닝은 현대적이고 고주파수, 고효율 전력 시스템 내부입니다. 그 핵심 장점은 실리콘 카바이드의 고유한 물질 특성에서 비롯되며, 이를 통해 실리콘에 비해 더 높은 온도, 전압 및 스위칭 주파수에서 동작이 가능합니다. 목표 시장은 다양하며, 에너지 효율, 전력 밀도 및 열 관리가 중요한 산업을 포괄합니다. 여기에는 산업용 모터 드라이브, 태양광 인버터와 같은 재생 에너지 시스템, 데이터 센터 전원 공급 장치 및 무정전 전원 공급 장치(UPS)가 포함됩니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 전기적 특성

전기적 파라미터는 특정 조건에서 다이오드의 동작 한계와 성능을 정의합니다.

• 반복 피크 역전압 (VRRM):650V. 이는 반복적으로 인가될 수 있는 최대 순간 역전압입니다. 이는 소자의 전압 정격을 정의하며, 일반적으로 안전 마진을 고려하여 주어진 버스 전압에 맞는 다이오드를 선택하는 데 중요합니다.
• 연속 순방향 전류 (IF):8A. 이는 다이오드가 연속적으로 전도할 수 있는 최대 평균 순방향 전류로, 최대 접합 온도와 열 저항에 의해 제한됩니다. 8A의 값은 케이스 온도(TC) 25°C에서 지정됩니다. 실제 애플리케이션에서는 실제 작동 온도를 기반으로 한 디레이팅이 필요합니다.
• 순방향 전압 (VF):일반적으로 8A 및 접합 온도(TJ) 25°C에서 1.5V이며, 최대 1.85V입니다. 이 파라미터는 전도 손실(P_conduction = VF * IF)을 계산하는 데 중요합니다. 낮은 VF는 SiC 쇼트키 기술의 주요 이점으로, 시스템 효율성 향상에 직접적으로 기여합니다. VF는 음의 온도 계수를 가지므로, 온도가 증가함에 따라 약간 감소하며, 이는 병렬 구성에서 열 폭주를 방지하는 데 도움이 됩니다.
• 역전류 (IR):일반적으로 520V 및 접합 온도(TJ) 25°C에서 2µA입니다. 이는 다이오드가 역바이어스되었을 때의 누설 전류입니다. 낮은 누설 전류는 오프 상태 전력 손실을 최소화합니다.
• 총 정전 용량 전하 (QC):VR=400V에서 12 nC (일반적). 이는 고주파수 스위칭을 위한 중요한 파라미터입니다. QC는 각 스위칭 사이클 동안 이동되어야 하는 다이오드의 접합 정전 용량과 관련된 전하를 나타냅니다. 낮은 QC 값은 더 낮은 스위칭 손실로 직접 이어지며, 더 높은 주파수 동작을 가능하게 합니다.
• 서지 비반복 순방향 전류 (IFSM):29A. 이는 짧은 지속 시간(10ms, 반사인파) 동안 허용되는 최대 비반복 피크 전류입니다. 이는 시작 시 또는 부하 과도 현상 중에 발생하는 것과 같은 인러시 또는 고장 전류를 견딜 수 있는 소자의 능력을 나타냅니다.

2.2 열적 특성

열 관리는 신뢰성과 성능에 있어 가장 중요합니다.

• 최대 접합 온도 (TJ,max):175°C. 이는 반도체 접합이 견딜 수 있는 절대 최대 온도입니다. 이 한계에 가깝거나 이 한계에서의 연속 작동은 소자의 수명을 크게 단축시킵니다.
• 열 저항, 접합-케이스 간 (RθJC):1.9 °C/W (일반적). 이 파라미터는 반도체 다이(접합)와 패키지 외부 케이스 사이의 열 임피던스를 수치화합니다. 낮은 값은 다이에서 방열판으로의 더 나은 열 전달을 나타냅니다. 총 접합 온도 상승은 ΔTJ = PD * RθJC로 계산할 수 있으며, 여기서 PD는 다이오드에서 소산되는 전력입니다.
• 총 전력 소산 (PD):TC=25°C에서 42W. 이는 지정된 테스트 조건에서 소자가 소산할 수 있는 최대 전력입니다. 실제로는 케이스 온도가 증가함에 따라 허용 소산량이 감소합니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 설계 및 분석에 필수적인 여러 특성 곡선을 제공합니다.

3.1 VF-IF 특성

이 그래프는 순방향 전압(VF)을 순방향 전류(IF)에 대해 표시합니다. 일반적으로 무릎 전압으로 시작한 후 대략 선형적으로 증가하는 비선형 관계를 보여줍니다. 설계자는 이 곡선을 사용하여 특정 작동 전류에서의 전도 손실을 정확하게 결정하며, 이는 단일 일반적인 VF 값을 사용하는 것보다 더 정확합니다.

3.2 VR-IR 특성

이 곡선은 인가된 역전압(VR)의 함수로서 역 누설 전류(IR)를 설명합니다. 이는 누설 전류가 역전압과 접합 온도 모두에 따라 어떻게 증가하는지 보여줍니다. 이는 특히 고전압 애플리케이션에서 오프 상태 손실을 추정하는 데 중요합니다.

3.3 VR-Ct 특성

이 그래프는 다이오드의 총 정전 용량(Ct) 대 역전압(VR)을 보여줍니다. 접합 정전 용량은 매우 비선형적이며, 역전압이 증가함에 따라 크게 감소합니다(1V에서 208 pF, 400V에서 18 pF). 이 비선형 정전 용량은 스위칭 동작과 QC 파라미터를 계산하는 데 있어 핵심 요소입니다.

3.4 최대 순방향 전류 대 케이스 온도

이 디레이팅 곡선은 케이스 온도(TC)가 증가함에 따라 허용 가능한 최대 연속 순방향 전류(IF)가 어떻게 감소하는지 보여줍니다. 이는 모든 작동 조건에서 접합 온도가 최대 정격을 초과하지 않도록 보장하는 방열판 설계의 기본 지침입니다.

3.5 과도 열 임피던스

이 곡선은 과도 열 저항(ZθJC)을 펄스 폭에 대해 표시합니다. 이는 스위칭 이벤트나 서지 조건 중에 발생하는 것과 같은 짧은 지속 시간의 전력 펄스 동안 접합 온도 상승을 평가하는 데 중요합니다. 패키지의 열 질량으로 인해 매우 짧은 펄스의 경우 유효 열 저항이 더 낮아집니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 외형 및 치수

이 소자는 산업 표준 TO-247-2L 패키지를 사용합니다. 외형도에서의 주요 치수는 총 패키지 길이 약 20.0 mm, 너비 16.26 mm, 높이 4.7 mm(리드 제외)를 포함합니다. 리드는 표준 PCB 레이아웃 및 방열판 장착 구멍과의 호환성을 보장하기 위해 특정 두께와 간격을 가집니다.

4.2 핀 구성 및 극성 식별

TO-247-2L 패키지는 두 개의 리드를 가집니다. 핀 1은 캐소드(K)로 식별되며, 핀 2는 애노드(A)입니다. 중요한 점은 패키지의 금속 탭 또는 케이스가 전기적으로 캐소드에 연결되어 있다는 것입니다. 방열판이 캐소드 전위에 있지 않은 경우 적절한 전기적 절연을 보장하기 위해 장착 시 이를 주의 깊게 고려해야 합니다. 표면 실장 리드 폼을 사용할 때 신뢰할 수 있는 납땜 및 열 성능을 보장하기 위해 권장 PCB 랜드 패턴(패드 레이아웃)이 제공됩니다.

5. 장착 및 조립 지침

적절한 설치는 성능과 신뢰성에 매우 중요합니다.

• 장착 토크:고정 나사(M3 또는 6-32)에 대한 권장 장착 토크는 8.8 N·cm(또는 8.8 lbf-in)입니다. 올바른 토크를 적용하면 패키지 케이스와 방열판 사이의 최적의 열 접촉을 보장하면서 패키지를 손상시키지 않습니다.
• 열 인터페이스 재료 (TIM):다이오드 케이스와 방열판 사이에는 미세한 공기 간극을 채우고 열 저항을 최소화하기 위해 항상 적절한 서멀 그리스나 패드를 사용해야 합니다.
• 전기적 절연:케이스가 캐소드에 연결되어 있으므로, 방열판이 다른 전위에 있는 경우 전기적으로 절연되지만 열 전도성이 있는 패드(예: 운모, 세라믹 필러가 포함된 실리콘 고무)가 필요합니다. 이 패드의 절연 전압 정격은 시스템의 작동 전압을 초과해야 합니다.
• 보관 조건:이 소자는 건조하고 부식성이 없는 환경에서 -55°C에서 +175°C의 온도 범위 내에 보관해야 합니다.

6. 애플리케이션 권장 사항

6.1 일반적인 애플리케이션 회로

이 SiC 쇼트키 다이오드는 여러 주요 전력 전자 회로에 이상적으로 적합합니다:

• 역률 보정 (PFC):스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)의 부스트 컨버터 단계에 사용됩니다. 빠른 스위칭과 낮은 QC는 고주파수(종종 65kHz ~ 150kHz)에서의 스위칭 손실을 줄여 PFC 단계의 효율성을 향상시킵니다.
• 태양광 인버터 DC-AC 단계:인버터 브리지 또는 플라이휠 다이오드로 사용됩니다. 높은 전압 정격과 효율성은 태양광 에너지 생산에 중요한 전체 인버터 효율성 향상에 기여합니다.
• 무정전 전원 공급 장치 (UPS):정류기/충전기와 인버터 섹션 모두에 사용됩니다. 높은 서지 내성(IFSM)은 배터리 충전 전류와 출력 부하 과도 현상을 처리하는 데 도움이 됩니다.
• 모터 드라이브 인버터:출력 브리지의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 또는 MOSFET에 걸쳐 플라이휠 다이오드 역할을 합니다. 역회복 전하의 부재는 역회복 손실과 관련된 전압 스파이크를 제거하여 더 부드러운 스위칭과 감소된 전자기 간섭(EMI)을 가능하게 합니다.

6.2 설계 고려 사항

• 스너버 회로:매우 빠른 스위칭과 본질적으로 역회복이 없기 때문에, 실리콘 PN 접합 다이오드에 비해 di/dt 또는 dv/dt를 제어하기 위한 스너버 회로는 단순화되거나 심지어 불필요할 수 있습니다. 그러나 레이아웃으로 인한 기생 인덕턴스는 여전히 전압 오버슈트를 유발할 수 있으므로, 타이트한 PCB 레이아웃으로 최소화해야 합니다.
• 병렬 동작:VF의 음의 온도 계수는 이러한 다이오드가 전류 처리 능력을 증가시키기 위해 병렬 동작에 본질적으로 적합하게 만듭니다. 하나의 다이오드가 가열되면 그 VF가 감소하여 더 많은 전류를 분담하게 되며, 이는 열 폭주가 아닌 전류 균형을 촉진합니다. 그러나 대칭적인 레이아웃과 열 결합에 대한 주의 깊은 주의가 여전히 권장됩니다.
• 방열판 크기 결정:전력 소산(VF 및 IR에서 계산), RθJC 및 디레이팅 곡선을 사용하여 방열판의 크기를 정확하게 결정하십시오. 목표는 장기적인 신뢰성을 위해 접합 온도를 175°C(예: 125-150°C)보다 훨씬 낮게 유지하는 것입니다.

7. 기술 비교 및 장점

표준 실리콘 고속 회복 다이오드(FRD) 또는 심지어 실리콘 PN 다이오드와 비교하여, 이 SiC 쇼트키 다이오드는 뚜렷한 장점을 제공합니다:

• 본질적으로 제로 역회복:쇼트키 장벽은 소수 캐리어 소자인 PN 접합과 달리 다수 캐리어 소자입니다. 이는 저장 전하와 관련된 역회복 시간(trr) 및 전류(Irr)를 제거합니다. 이는 가장 중요한 단일 장점으로, 극적으로 낮은 스위칭 손실로 이어집니다.
• 더 높은 작동 온도:실리콘 카바이드의 더 넓은 밴드갭은 더 높은 최대 접합 온도(실리콘의 일반적 150°C 대비 175°C)를 허용하여 더 많은 설계 마진을 제공하거나 더 작은 방열판을 사용할 수 있게 합니다.
• 더 높은 스위칭 주파수:낮은 QC와 역회복의 부재의 조합은 훨씬 더 높은 주파수에서 효율적인 동작을 가능하게 합니다. 이는 더 작은 수동 소자(인덕터, 커패시터, 변압기)의 사용을 허용하여 전력 밀도를 증가시킵니다.
• 더 낮은 순방향 전압 강하:일반적인 작동 전류에서 SiC 쇼트키 다이오드는 고전압 실리콘 FRD보다 종종 비슷하거나 더 낮은 VF를 가지며, 이는 전도 손실을 줄입니다.
• 트레이드오프:역사적으로 주요 트레이드오프는 비용이었지만, SiC 소자 가격은 크게 하락했습니다. 또한, 쇼트키 다이오드의 역 누설 전류는 일반적으로 PN 다이오드보다 높으며 온도에 따라 더 급격하게 증가하는데, 이는 매우 고온 애플리케이션에서 고려 사항이 될 수 있습니다.

8. 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1: "본질적으로 스위칭 손실이 없다"는 것이 실제로 무엇을 의미합니까?

A1: 이는 다이오드에서 지배적인 스위칭 손실 메커니즘인 역회복 손실이 무시할 수 있다는 것을 의미합니다. 그러나 접합 정전 용량의 충전 및 방전(QC 관련)으로 인한 손실은 여전히 발생합니다. 이러한 정전 용량 손실은 일반적으로 실리콘 다이오드의 역회복 손실보다 훨씬 작으며, 특히 고주파수에서 그렇습니다.

Q2: 이 다이오드에 대한 방열판을 어떻게 선택합니까?

A2: 먼저, 최악의 경우 전력 소산을 계산하십시오: PD = (VF * IF_avg) + (VR * IR_avg). 예상 작동 접합 온도에서의 VF 및 IR 값을 사용하십시오. 그런 다음, 목표 최대 접합 온도(예: 140°C)를 결정하십시오. 방열판의 필요한 열 저항(RθSA)은 다음에서 찾을 수 있습니다: RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS, 여기서 TA는 주변 온도이고 RθCS는 인터페이스 재료의 열 저항입니다.

Q3: 기존 회로에서 실리콘 다이오드를 직접 대체하여 이 다이오드를 사용할 수 있습니까?

A3: 검토 없이는 항상 그렇지 않습니다. 핀아웃과 패키지는 호환될 수 있지만, 더 빠른 스위칭은 회로 기생 인덕턴스로 인해 더 높은 전압 스파이크를 유발할 수 있습니다. 관련 스위칭 트랜지스터의 게이트 드라이브 또는 제어는 조정이 필요할 수 있습니다. 더 낮은 순방향 전압은 또한 회로 동작을 약간 변경할 수 있습니다. 철저한 설계 검토를 권장합니다.

Q4: 케이스가 왜 캐소드에 연결되어 있습니까?

A4: 이는 전력 패키지에서 흔합니다. 이는 열 전달에 탁월한 큰 금속 탭을 전기적 연결로 사용할 수 있게 합니다. 이는 캐소드 경로의 기생 인덕턴스를 줄여 고속 스위칭에 유리합니다. 방열판이 캐소드 전위에 있지 않은 경우 주의 깊은 절연이 필요합니다.

9. 실용적인 설계 사례 연구

시나리오: 1.5kW 부스트 PFC 단계 설계.

입력 전압 범위 85-265VAC, 출력 전압 400VDC, 스위칭 주파수 100kHz를 가정합니다. 부스트 다이오드는 400V를 차단하고 인덕터 전류를 전달해야 합니다. 계산에 따르면 피크 전류는 약 10A이고 평균 다이오드 전류는 약 4A입니다.



trr 50ns 및 QC 30nC를 가진 실리콘 초고속 다이오드는 100kHz에서 상당한 역회복 손실을 초래할 것입니다. 이 SiC 쇼트키 다이오드(QC=12nC, trr 없음)를 선택함으로써, 다이오드의 스위칭 손실은 정전 용량 손실만으로 감소됩니다. 이는 효율성을 직접적으로 0.5-1.5% 향상시키고, 열 발생을 줄이며, 더 작은 방열판을 사용하거나 더 높은 주변 온도에서 작동할 수 있게 할 수 있습니다. 설계는 또한 역회복 전류 스파이크의 부재로 인해 감소된 EMI의 이점을 얻습니다.

10. 동작 원리

쇼트키 다이오드는 반도체-반도체 접합을 사용하는 표준 PN 접합 다이오드와 달리 금속-반도체 접합에 의해 형성됩니다. SiC 쇼트키 다이오드에서는 금속(예: 티타늄)이 실리콘 카바이드 위에 증착됩니다. 이는 작은 전압이 인가될 때(낮은 VF) 순방향으로 자유롭게 전류가 흐르도록 하는 쇼트키 장벽을 생성합니다. 역방향에서는 장벽이 전류 흐름을 차단합니다. 전도가 다수 캐리어(N형 SiC 기판의 전자)에만 의존하기 때문에 소수 캐리어의 주입 및 저장이 없습니다. 결과적으로, 전압이 반전될 때 제거되어야 할 저장 전하가 없어 거의 즉각적인 턴오프 특성과 역회복의 부재가 발생합니다.

11. 기술 동향

실리콘 카바이드 전력 소자, 쇼트키 다이오드 및 MOSFET을 포함하는 것은 더 높은 효율성, 주파수 및 전력 밀도를 향한 전력 전자의 주요 동향을 나타냅니다. 시장은 600-650V 소자(실리콘 슈퍼정션 MOSFET 및 IGBT와 경쟁)에서 산업 및 자동차 애플리케이션을 위한 1200V 및 1700V 정격으로 이동하고 있습니다. 완전한 고성능 전력 단계를 위해 모듈에서 SiC 다이오드와 SiC MOSFET의 통합이 일반화되고 있습니다. SiC 재료 품질 및 제조 공정의 지속적인 개선은 비용을 낮추고 소자 신뢰성을 향상시켜 성능이 중요한 중대전력 애플리케이션의 새로운 설계에 대한 선호되는 선택으로 SiC 기술을 만들고 있습니다.