TO-252-3L SiC 쇼트키 다이오드 데이터시트 - 650V, 16A, 1.5V - 패키지 6.6x9.84x1.52mm - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

본 문서는 표면 실장형 TO-252-3L(DPAK) 패키지의 고성능 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)에 대한 사양을 상세히 설명합니다. 이 소자는 효율성, 전력 밀도 및 열 관리가 중요한 고전압, 고주파 전력 변환 응용 분야를 위해 설계되었습니다. SiC 기술을 활용하는 이 다이오드는 기존의 실리콘 PN 접합 다이오드에 비해, 특히 스위칭 손실 감소와 더 높은 동작 주파수 구현 측면에서 상당한 이점을 제공합니다.

이 부품의 핵심 포지셔닝은 고급 전원 공급 장치 및 에너지 변환 시스템 내부에 있습니다. 그 주요 이점은 실리콘 카바이드의 고유한 물질 특성에서 비롯되며, 이는 실리콘 대비 훨씬 낮은 역회복 전하와 더 빠른 스위칭 속도를 가능하게 합니다. 이는 회로에서의 스위칭 손실 감소로 직접 이어져 전체 시스템 효율성을 높입니다.

목표 시장과 응용 분야는 다양하며, 현대적이고 효율적인 전력 전자 분야에 중점을 둡니다. 주요 분야에는 산업용 모터 드라이브, 태양광 인버터와 같은 재생 에너지 시스템, 서버 및 데이터 센터 전원 공급 장치, 무정전 전원 공급 장치(UPS)가 포함됩니다. 이러한 응용 분야는 다이오드의 높은 주파수에서 동작할 수 있는 능력으로부터 막대한 이점을 얻으며, 이는 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 소자의 크기를 줄여 전력 밀도를 높이고 잠재적으로 시스템 크기와 비용을 절감할 수 있게 합니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 절대 최대 정격

절대 최대 정격은 소자에 영구적인 손상이 발생할 수 있는 한계 스트레스를 정의합니다. 이는 정상 동작을 위한 것이 아닙니다.

• 반복 피크 역전압 (VRRM):650V. 이는 반복적으로 인가할 수 있는 최대 역전압입니다.
• 연속 순방향 전류 (IF):16A. 이는 다이오드가 처리할 수 있는 최대 연속 순방향 전류로, 최대 접합 온도와 열 저항에 의해 제한됩니다.
• 서지 비반복 순방향 전류 (IFSM):27A. 이 정격은 짧은 시간(10ms, 반사인파) 동안 허용되는 최대 서지 전류를 지정하며, 돌입 전류나 고장 조건 처리에 중요합니다.
• 접합 온도 (TJ):175°C. 반도체 접합의 최대 허용 온도입니다.
• 총 전력 소산 (PD):70W. 케이스 온도 25°C에서 패키지가 소산할 수 있는 최대 전력입니다.

2.2 전기적 특성

이 파라미터들은 지정된 테스트 조건에서 소자의 성능을 정의합니다.

• 순방향 전압 (VF):접합 온도 25°C, 16A에서 일반적으로 1.5V, 최대 1.85V입니다. 이 낮은 VF는 SiC 쇼트키 기술의 주요 이점으로, 낮은 도통 손실로 이어집니다. VF는 온도가 상승함에 따라 증가하여 175°C에서 약 1.9V에 도달함을 유의하십시오.
• 역전류 (IR):520V, 25°C에서 일반적으로 2µA, 최대 60µA입니다. 이 낮은 누설 전류는 차단 상태에서의 높은 효율성에 기여합니다.
• 총 커패시턴스 전하 (QC):400V에서 22 nC(일반값). 이는 스위칭 손실 계산을 위한 중요한 파라미터입니다. 낮은 QC 값은 턴오프 시 제거해야 하는 저장 전하가 최소임을 나타내며, 이는 본질적으로 역회복 전류가 없고 매우 낮은 스위칭 손실을 의미합니다.
• 총 커패시턴스 (Ct):이는 전압 의존적입니다. 1V에서 402 pF, 200V에서 43 pF, 400V에서 32 pF(1MHz, 일반값)로 측정됩니다. 역전압 증가에 따른 감소는 접합 커패시턴스의 특징입니다.

2.3 열적 특성

열 관리는 신뢰성과 성능에 있어 가장 중요합니다.

• 열 저항, 접합-케이스 간 (RθJC):2.9 °C/W(일반값). 이 낮은 값은 반도체 접합에서 패키지 케이스로의 효율적인 열 전달을 나타내며, 이는 발생된 열을 방열판이나 PCB로 소산하는 데 필수적입니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 설계에 필수적인 여러 특성 곡선을 제공합니다.

3.1 VF-IF 특성

이 그래프는 다른 접합 온도에서의 순방향 전압과 순방향 전류 간의 관계를 보여줍니다. 낮은 순방향 전압 강하와 그 양의 온도 계수를 시각적으로 보여줍니다. 설계자는 이를 사용하여 도통 손실(Pcond = VF * IF)을 계산하고 손실이 온도에 따라 어떻게 변하는지 이해합니다.

3.2 VR-IR 특성

이 곡선은 다른 온도에서 역누설 전류 대 역전압을 그립니다. 고전압 및 고온에서도 낮은 누설 전류를 확인시켜 주며, 이는 차단 모드에서의 효율성에 매우 중요합니다.

3.3 최대 순방향 전류 대 케이스 온도

이 디레이팅 곡선은 케이스 온도(TC)가 증가함에 따라 허용 가능한 최대 연속 순방향 전류가 어떻게 감소하는지 보여줍니다. 이는 다이오드가 안전 동작 영역(SOA)을 벗어나지 않도록 보장하는 열 설계를 위한 중요한 도구입니다.

3.4 전력 소산 대 케이스 온도

전류 디레이팅과 유사하게, 이 곡선은 케이스 온도의 함수로서 허용 가능한 최대 전력 소산을 보여줍니다.

3.5 과도 열 임피던스

이 그래프는 짧은 전력 펄스 동안의 열 성능 평가에 매우 중요합니다. 다양한 폭의 단일 펄스에 대한 접합에서 케이스까지의 유효 열 저항을 보여줍니다. 이 데이터는 스위칭 이벤트 동안의 피크 접합 온도 상승을 계산하는 데 사용되며, 이는 정상 상태 조건보다 종종 더 스트레스가 큽니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 치수 (TO-252-3L)

다이오드는 TO-252-3L 패키지(DPAK이라고도 함)에 장착되어 있습니다. 주요 치수는 다음과 같습니다:

• 패키지 길이 (E): 6.60 mm (typ)
• 패키지 너비 (D): 6.10 mm (typ)
• 패키지 높이 (H): 9.84 mm (typ)
• 리드 피치 (e1): 2.28 mm (basic)
• 리드 길이 (L): 1.52 mm (typ)

상세 도면은 PCB 풋프린트 설계 및 조립을 위한 모든 중요한 공차를 제공합니다.

4.2 핀 구성 및 극성

패키지에는 세 개의 연결부가 있습니다: 두 개의 리드와 케이스(탭).

• 핀 1: 캐소드 (K)
• 핀 2: 애노드 (A)
• 케이스 (탭): 이는 내부적으로 캐소드(K)에 연결되어 있습니다. 이는 PCB 레이아웃 및 방열에 있어 중요한 세부 사항으로, 탭이 캐소드 전위에 있지 않은 다른 회로와 전기적으로 절연되어야 합니다.

4.3 권장 PCB 패드 레이아웃

표면 실장 조립을 위한 제안된 풋프린트가 제공됩니다. 이 레이아웃은 신뢰할 수 있는 솔더 조인트 형성, 적절한 열 완화 및 PCB 구리로의 효과적인 열 방산을 보장하도록 설계되었습니다. 이 권장 사항을 준수하는 것은 제조 수율과 장기 신뢰성에 중요합니다.

5. 응용 가이드라인 및 설계 고려사항

5.1 일반적인 응용 회로

이 SiC 쇼트키 다이오드는 여러 주요 전력 변환 토폴로지에 이상적으로 적합합니다:

• 역률 보정 (PFC):스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)의 부스트 컨버터 단계에 사용됩니다. 고속 스위칭은 고주파에서의 손실을 줄여 PFC 단계의 효율성을 향상시킵니다.
• 태양광 인버터 DC-AC 단계:인버터의 프리휠링 또는 클램핑 회로에 자주 사용됩니다. 높은 전압 정격과 낮은 스위칭 손실은 태양광 응용 분야에서 일반적인 높은 DC 버스 전압과 스위칭 주파수에 유리합니다.
• 모터 드라이브 인버터:절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)나 MOSFET에 걸쳐 프리휠링 다이오드 역할을 합니다. 빠른 회복은 데드 타임 요구 사항을 최소화하고 전압 스파이크를 줄입니다.
• 무정전 전원 공급 장치(UPS) 및 데이터 센터 전원 공급 장치:PFC 및 DC-DC 변환 단계 모두에서 사용되어 높은 효율성을 달성하며, 이는 에너지 소비와 냉각 요구 사항을 줄이는 데 중요합니다.

5.2 주요 설계 고려사항

• 열 관리:낮은 손실에도 불구하고, 적절한 방열은 필수적입니다. 낮은 RθJC는 열이 PCB나 외부 방열판으로 효율적으로 전달되도록 합니다. 장착 탭(캐소드)은 방열판 역할을 할 수 있도록 충분히 큰 PCB 구리 영역에 납땜되어야 합니다. 고전력 응용 분야의 경우, 탭에 부착된 외부 방열판이 필요할 수 있습니다.
• 병렬 소자 구성:SiC 쇼트키 다이오드는 순방향 전압에 대해 양의 온도 계수를 가집니다. 이 특성은 병렬 소자 간의 전류 분담을 촉진하여 열 폭주를 방지하는 데 도움이 되며, 이는 다른 다이오드 기술에 비해 상당한 이점입니다.
• 스위칭 속도 및 레이아웃:다이오드의 초고속 스위칭 능력은 회로 레이아웃이 중요함을 의미합니다. 턴오프 동안 과도한 전압 오버슈트를 피하기 위해 전력 루프의 기생 인덕턴스를 최소화하는 것이 필요합니다. 이는 짧고 넓은 트레이스 사용 및 디커플링 커패시터의 적절한 배치를 포함합니다.
• 게이트 드라이브 고려사항 (관련 스위치용):역회복 전류가 없다는 점은 동반되는 스위칭 트랜지스터(예: MOSFET, IGBT)의 게이트 드라이브 회로 설계를 단순화합니다. 다이오드 회복으로 인한 쇼트 스루 전류에 대한 우려가 없기 때문입니다.

6. 기술 비교 및 장점

표준 실리콘 고속 회복 다이오드(FRD)나 심지어 실리콘 카바이드 접합 배리어 쇼트키(JBS) 다이오드와 비교했을 때, 이 부품은 뚜렷한 이점을 제공합니다:

• 실리콘 PN 다이오드 대비:가장 중요한 차이는 거의 제로에 가까운 역회복 전하(Qrr)로, 이는 본질적으로 커패시턴스 전하(Qc)로 대체됩니다. 이는 역회복 손실과 관련 EMI를 제거하여 훨씬 더 높은 스위칭 주파수(수십에서 수백 kHz)를 가능하게 합니다.
• 실리콘 쇼트키 다이오드 대비:실리콘 쇼트키 다이오드는 낮은 전압 정격(일반적으로 200V 미만)으로 제한됩니다. 이 SiC 다이오드는 쇼트키 정류 원리(낮은 VF, 빠른 스위칭)의 이점을 많은 오프라인 전력 응용 분야의 표준인 650V 급으로 확장합니다.
• 고온 동작:SiC 소재는 실리콘보다 더 높은 접합 온도에서 동작할 수 있어 가혹한 환경에서의 신뢰성을 향상시킵니다.
• 시스템 수준 이점:더 높은 스위칭 주파수의 가능성은 자기 소자(인덕터, 변압기)와 커패시터의 크기를 줄여 더 컴팩트하고 가벼운 전원 공급 장치로 이어집니다. 향상된 효율성은 열 발생을 줄여 냉각 시스템을 단순화하거나 제거할 수 있으며, 이는 비용과 크기를 더욱 절감합니다.

7. 자주 묻는 질문 (FAQ)

7.1 "본질적으로 스위칭 손실이 없다"는 것은 무엇을 의미합니까?

턴오프 시 제거해야 하는 소수 캐리어를 저장하여 큰 역회복 전류와 상당한 손실을 유발하는 실리콘 PN 다이오드와 달리, SiC 쇼트키 다이오드는 다수 캐리어 소자입니다. 그 턴오프 동작은 접합 커패시턴스(Qc)의 방전에 의해 지배됩니다. 손실되는 에너지는 이 커패시턴스를 충전 및 방전하는 것과 관련되며(E = 1/2 * C * V^2), 이는 일반적으로 비교 가능한 실리콘 다이오드의 역회복 손실보다 훨씬 낮습니다.

7.2 순방향 전압 온도 계수가 양수인 이유는 무엇입니까?

쇼트키 다이오드에서, 주어진 전류에 대한 순방향 전압은 쇼트키 장벽 높이의 감소로 인해 온도에 따라 약간 감소합니다. 그러나 고전류 SiC 쇼트키 다이오드에서 지배적인 효과는 드리프트 영역의 저항이 온도에 따라 증가하는 것입니다. 이 저항 증가는 전체 순방향 전압이 온도가 상승함에 따라 증가하도록 하여 전류 분담에 유익한 양의 온도 계수를 제공합니다.

7.3 내 응용 분야에서 접합 온도를 어떻게 계산합니까?

정상 상태 접합 온도는 다음을 사용하여 추정할 수 있습니다: TJ = TC + (PD * RθJC). 여기서 TC는 측정된 케이스 온도, PD는 다이오드에서 소산되는 전력(도통 손실 + 스위칭 손실), RθJC는 열 저항입니다. 동적 조건의 경우, 과도 열 임피던스 곡선을 전력 소산 파형과 함께 사용해야 합니다.

7.4 400V AC 정류에 이 다이오드를 사용할 수 있습니까?

400V AC 라인 전압을 정류하기 위해, 피크 역전압은 ~565V(400V * √2)까지 높을 수 있습니다. 650V 정격 다이오드는 라인 상의 전압 스파이크 및 과도 현상에 대한 안전 마진을 제공하므로, 3상 400VAC 시스템을 포함한 이러한 응용 분야에 적합하고 일반적인 선택입니다.

8. 실용적인 설계 예시

시나리오:서버 전원 공급 장치용 1.5kW 부스트 역률 보정(PFC) 단계 설계, 입력 전압 범위 85-265VAC, 출력 400VDC를 목표로 함. 스위칭 주파수는 자기 소자 크기를 줄이기 위해 100 kHz로 설정됨.

다이오드 선택 근거:표준 실리콘 초고속 다이오드는 100 kHz에서 상당한 역회복 손실을 가져 효율성에 심각한 영향을 미칩니다. 이 650V SiC 쇼트키 다이오드는 스위칭 손실이 무시할 수 있고(Qc 기반), 도통 손실(VF 기반)이 낮기 때문에 선택되었습니다. 16A 연속 전류 정격은 적절한 디레이팅을 통해 이 응용 분야의 평균 및 RMS 전류에 충분합니다.

열 설계:계산 결과 다이오드 도통 손실은 약 4W입니다. 일반적인 RθJC 2.9°C/W를 사용하여, 케이스 온도를 80°C로 유지한다면 접합 온도 상승은 ~11.6°C가 되어 TJ는 ~91.6°C가 되며, 이는 최대 175°C 내에 잘 들어갑니다. 이는 부피가 큰 외부 방열판 없이 PCB 구리 패드를 주요 방열판으로 사용할 수 있게 하여 공간과 비용을 절약합니다.

9. 기술 소개 및 트렌드

9.1 실리콘 카바이드(SiC) 기술 원리

실리콘 카바이드는 광대역 갭 반도체 소재입니다. 그 더 넓은 밴드갭(4H-SiC의 경우 약 3.26 eV 대 실리콘의 1.12 eV)은 몇 가지 우수한 물리적 특성을 부여합니다: 훨씬 더 높은 임계 전계(주어진 전압 정격에 대해 더 얇고 저항이 낮은 드리프트 층 허용), 더 높은 열전도율(열 방산 개선), 그리고 훨씬 더 높은 온도에서 동작할 수 있는 능력. 쇼트키 다이오드에서 SiC는 고내전압, 낮은 순방향 전압 강하, 극도로 빠른 스위칭의 조합을 가능하게 하며, 이는 실리콘으로는 달성하기 어려운 조합입니다.

9.2 산업 트렌드

쇼트키 다이오드와 MOSFET을 포함한 SiC 전력 소자의 채택이 가속화되고 있습니다. 주요 동인은 모든 분야(산업, 자동차, 소비자)에서의 에너지 효율성에 대한 글로벌 추진과 더 높은 전력 밀도에 대한 수요입니다. 제조량이 증가하고 비용이 계속 감소함에 따라, SiC는 틈새 고성능 응용 분야에서 주류 전원 공급 장치, 전기 자동차 온보드 충전기 및 태양광 에너지 시스템으로 이동하고 있습니다. 트렌드는 자동차 및 산업 드라이브를 위한 더 높은 전압 정격(예: 1200V, 1700V)과 완전한 고성능 스위칭 셀을 위한 전력 모듈에서 SiC 다이오드와 SiC MOSFET의 통합 쪽으로 나아가고 있습니다.