TO-252-3L SiC 쇼트키 다이오드 데이터시트 - 650V, 20A, 1.5V - 패키지 6.6x9.84x2.3mm - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

본 문서는 표면 실장 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 활용한 이 다이오드는 기존의 실리콘 PN 접합 다이오드에 비해 우수한 스위칭 특성을 제공하여 시스템 수준의 상당한 개선을 가능하게 합니다.

이 SiC 쇼트키 다이오드의 핵심 장점은 거의 제로에 가까운 역회복 전하에 있으며, 이는 다이오드 턴오프와 관련된 스위칭 손실을 사실상 제거합니다. 이 특성은 전원 공급 장치 및 인버터에서 스위칭 주파수를 높이는 데 매우 중요하며, 인덕터 및 커패시터와 같은 더 작은 수동 소자의 사용을 가능하게 하여 전체 전력 밀도를 증가시킵니다. 낮은 순방향 전압 강하는 더욱 낮은 전도 손실에 기여하여 작동 온도 범위 전체에서 시스템 효율성을 향상시킵니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 전기적 특성

본 소자는 최대 반복 피크 역전압(VRRM) 650V로 정격되어 있으며, 충분한 설계 마진을 갖춘 범용 AC 전원(85-265VAC)에서 작동하는 응용 분야에 적합합니다. 연속 순방향 전류(IF) 정격은 케이스 온도(TC) 25°C에서 20A입니다. 이 전류 정격은 열적으로 제한되며 접합 온도가 증가함에 따라 감소한다는 점을 유의해야 하며, 이는 열적 특성 섹션에서 자세히 설명합니다.

스위칭 다이오드의 핵심 성능 파라미터는 총 커패시턴스 전하(Qc)입니다. 본 소자는 역전압(VR) 400V, 접합 온도(Tj) 25°C에서 일반적인 Qc를 30nC로 규정합니다. 이 낮은 값은 최소한의 저장 전하를 확인시켜 주며, 이는 낮은 스위칭 손실로 직접 이어져 고주파 작동을 가능하게 합니다. 순방향 전압(VF)은 25°C에서 16A를 전도할 때 최대 1.85V로 규정되며, 최대 접합 온도 175°C에서는 일반적으로 1.9V까지 상승합니다. VF의 이 양의 온도 계수는 SiC 쇼트키 다이오드의 유익한 특성으로, 다중 소자를 병렬로 작동할 때 전류 분배를 촉진하고 열 폭주를 방지합니다.

역방향 누설 전류(IR)는 520V, 25°C에서 최대 120µA로 매우 낮습니다. 이 낮은 누설은 특히 대기 또는 경부하 조건에서 높은 효율성에 기여합니다.

2.2 열적 특성

효과적인 열 관리는 신뢰할 수 있는 작동에 필수적입니다. 주요 열 지표는 접합-케이스 열 저항(RθJC)이며, 일반적인 값은 3.6°C/W로 규정됩니다. 이 낮은 값은 반도체 접합에서 패키지 케이스로의 효율적인 열 전달을 나타내며, 탭에 부착된 외부 방열판을 통해 열을 효과적으로 방산할 수 있게 합니다. 허용 가능한 최대 접합 온도(Tj)는 175°C이며, 소자는 -55°C ~ +175°C의 온도 범위 내에서 보관할 수 있습니다.

총 전력 소산(PD)은 TC=25°C에서 50W로 정격됩니다. 실제 응용에서는 허용 가능한 실제 전력 소산은 최대 접합 온도, 열 저항(접합-주변, RθJA, 여기에는 케이스-방열판 및 방열판-주변 저항이 포함됨) 및 주변 온도를 기반으로 계산됩니다. 제공된 "전력 소산" 및 "과도 열 저항" 곡선은 과도 과부하 조건을 설계하고 안전 작동 영역을 결정하는 데 중요합니다.

3. 성능 곡선 분석

3.1 순방향 특성 (VF-IF)

VF-IF 특성 곡선은 다양한 접합 온도에서 순방향 전압 강하와 순방향 전류 간의 관계를 보여줍니다. 쇼트키 다이오드의 경우, 곡선은 실리콘 PN 다이오드에 비해 더 낮은 무릎 전압을 보입니다. 또한 곡선은 양의 온도 계수를 보여주며, 주어진 전류에 대해 VF가 Tj와 함께 증가합니다. 이 그래프는 다양한 작동 조건에서 전도 손실(Ploss = VF * IF)을 계산하는 데 필수적입니다.

3.2 역방향 특성 및 커패시턴스

VR-IR 곡선은 차단 전압까지의 전압 범위에서 매우 낮은 역방향 누설 전류를 보여줍니다. VR-Ct 곡선은 역바이어스의 함수로서 접합 커패시턴스를 표시합니다. 커패시턴스는 역전압이 증가함에 따라 감소하며(1V에서 약 513pF, 400V에서 약 46pF), 이는 전압 의존성 공핍 영역 폭의 특성입니다. 낮고 전압 의존적인 커패시턴스는 스위칭 속도와 Qc 파라미터에 영향을 미칩니다.

3.3 서지 및 과도 성능

"최대 Ip – TC 특성" 차트는 허용 가능한 비반복 서지 전류(IFSM)를 케이스 온도의 함수로 정의합니다. 소자는 25°C에서 26A 서지(반사인파, 10ms 지속 시간)를 처리할 수 있습니다. "IFSM – PW 특성" 그래프는 펄스 폭 대비 서지 전류 처리 능력을 더 자세히 설명하며, 인러시 전류 또는 고장 조건에 대한 보호 설계에 중요합니다. "EC-VR 특성" 곡선은 저장된 커패시턴스 에너지(EC)를 역전압에 대해 도표화하며, 공진 회로의 손실을 이해하는 데 중요합니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 외형 및 치수

소자는 TO-252-3L 패키지에 장착됩니다. 주요 치수에는 전체 패키지 길이(E) 6.60mm(일반), 너비(D) 6.10mm(일반), 높이(A) 2.30mm(일반)이 포함됩니다. 리드 피치(e1)는 2.28mm(기본)입니다. 큰 금속 탭(케이스)은 주요 열 경로 역할을 하며 캐소드 단자에 전기적으로 연결됩니다. PCB 풋프린트 설계를 위한 공차가 포함된 상세 치수 도면이 제공됩니다.

4.2 핀 구성 및 극성 식별

핀 구성은 명확히 정의됩니다: 핀 1은 캐소드(K), 핀 2는 애노드(A)이며, 케이스(큰 금속 탭)도 캐소드에 연결됩니다. 조립 중 올바른 극성 식별은 소자 고장을 방지하는 데 중요합니다. 적절한 솔더 접합 형성 및 보드와의 열적 연결을 보장하기 위해 표면 실장을 위한 권장 PCB 패드 레이아웃이 제공됩니다.

5. 솔더링 및 조립 가이드라인

표면 실장 소자로서, 이 다이오드는 리플로우 솔더링 공정을 위해 설계되었습니다. 특정 리플로우 프로파일 파라미터(예열, 소킹, 리플로우 피크 온도, 액상선 이상 시간)는 본 데이터시트에 나열되어 있지 않지만, IPC/JEDEC J-STD-020을 준수하는 표준 무연(Pb-Free) 리플로우 프로파일을 따라야 합니다. 솔더링 중 최대 패키지 본체 온도는 지정된 최대 보관 온도 175°C를 장시간 초과해서는 안 됩니다. 탭과 함께 사용되는 나사(방열에 적용 가능한 경우)의 장착 토크는 M3 또는 6-32 나사의 경우 8.8 N·cm (1 lbf·in)으로 규정됩니다.

솔더링 후 리드에 기계적 스트레스를 피하기 위해 주의해야 합니다. 소자는 사용 전 습기 흡수(리플로우 중 "팝콘" 현상을 일으킬 수 있음) 및 정전기 방전 손상을 방지하기 위해 건조한 정전기 방지 환경에 보관해야 합니다.

6. 응용 권장사항

6.1 대표적인 응용 회로

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

• 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)의 역률 보정(PFC):연속 전도 모드(CCM) 또는 임계 전도 모드(CrM) PFC 단계의 부스트 다이오드로 사용됩니다. 빠른 스위칭과 낮은 Qc는 높은 라인 주파수에서 스위칭 손실을 줄여 효율성을 향상시키며, 특히 높은 라인 전압에서 효과적입니다.
• 태양광 인버터:태양광 마이크로 인버터 또는 스트링 인버터의 부스트 단계에서 최소 손실로 고전압 및 고전류를 처리하여 에너지 수확을 극대화하는 데 사용됩니다.
• 무정전 전원 공급 장치(UPS):인버터 출력 단계 또는 배터리 충전 회로에서 효율적인 고주파 스위칭을 위해 사용됩니다.
• 모터 드라이브:가변 주파수 드라이브(VFD) 내의 프리휠링 또는 클램프 회로에서 모터의 인덕티브 킥백을 효율적으로 관리하는 데 사용될 수 있습니다.
• 데이터 센터 전원 공급 장치:서버 전원 공급 장치에서 높은 효율성(예: 80 Plus Titanium)을 달성하는 데 필수적이며, 손실 감소의 모든 백분율 포인트가 중요합니다.

6.2 설계 고려사항

열 설계:주요 설계 과제는 접합 온도 관리입니다. RθJC 값과 최대 Tj를 사용하여 필요한 방열을 계산하십시오. 금속 탭은 방열판 역할을 하기 위해 PCB의 충분히 큰 구리 패드에 솔더링되어야 하며, 내부 층 또는 뒷면 평면으로의 열 비아가 필요할 수 있습니다. 더 높은 전력 응용의 경우 탭에 부착된 외부 방열판이 필요할 수 있습니다.

병렬 작동:VF의 양의 온도 계수는 병렬 연결된 다이오드 간의 전류 분배를 용이하게 합니다. 그러나 빠른 과도 상태 동안 전류 불균형을 방지하기 위해 각 분기에서 동일한 기생 인덕턴스와 저항을 보장하기 위해 신중한 레이아웃 대칭이 여전히 필요합니다.

스너버 회로:다이오드의 회복 전하가 매우 낮지만, 기생 회로 인덕턴스 및 커패시턴스는 여전히 턴오프 중 전압 오버슈트를 일으킬 수 있습니다. 이러한 스파이크를 클램핑하고 최대 전압 정격 내에서 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해 스너버 회로(RC 또는 RCD)가 필요할 수 있습니다.

게이트 구동 고려사항 (관련 스위치용):이 다이오드의 빠른 스위칭은 높은 di/dt 및 dv/dt로 이어질 수 있습니다. 이는 밀러 효과로 인한 오작동을 피하거나 전자기 간섭(EMI)을 관리하기 위해 동반되는 스위칭 트랜지스터(예: MOSFET)의 게이트 구동 설계에 주의를 기울여야 할 수 있습니다.

7. 기술 비교 및 장점

표준 실리콘 고속 회복 다이오드(FRD) 또는 실리콘 카바이드 접합 배리어 쇼트키(JBS) 다이오드와 비교하여, 이 쇼트키 다이오드는 뚜렷한 장점을 제공합니다:

• 제로 역회복:쇼트키 배리어 메커니즘은 소수 캐리어 저장이 없어 거의 제로에 가까운 Qc를 가집니다. 이는 역회복 전류 스파이크를 제거하여 다이오드 자체 및 동반 트랜지스터의 스위칭 손실을 줄이고 EMI를 최소화합니다.
• 고온 작동:SiC 재료 특성은 최대 접합 온도 175°C를 허용하며, 일반적인 실리콘 소자(150°C)보다 높아 더 큰 설계 마진을 제공하거나 더 작은 방열판을 사용할 수 있게 합니다.
• 고주파 능력:낮은 Qc와 낮은 커패시턴스의 조합은 수백 kHz까지의 스위칭 주파수에서 효율적인 작동을 가능하게 하며, 실리콘 FRD의 실질적인 한계를 초월합니다.
• 효율성 향상:더 낮은 VF(고온에서 Si PN 다이오드와 비교)와 회복 손실의 부재는 직접적으로 더 높은 시스템 효율성으로 이어지며, 특히 부분 부하 및 높은 라인 조건에서 효과적입니다.

8. 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 이 다이오드로 기존 설계의 실리콘 고속 회복 다이오드를 직접 교체할 수 있나요?

A: 전기적으로 핀 호환 교체품이 될 수 있지만, 설계 검토는 필수입니다. 더 빠른 스위칭은 회로 기생 요소로 인한 전압 스파이크를 악화시킬 수 있습니다. 열 성능도 달라질 것입니다. 스너버 값과 방열을 재평가해야 합니다.

Q: 케이스가 캐소드에 연결된 이유는 무엇인가요? 절연이 필요한가요?

A: 네, 금속 탭은 전기적으로 라이브(캐소드 전위)입니다. 연결되는 PCB 패드는 캐소드 네트워크에 있어야 합니다. 탭이 외부 방열판에 부착된 경우, 해당 방열판은 다른 전위 또는 시스템 섀시로부터 전기적으로 절연되어야 하며, 섀시도 캐소드 전위에 있는 경우는 예외입니다.

Q: 서지 전류 정격(IFSM)은 어떻게 적용되나요?

A: 26A(10ms, 반사인파)의 IFSM 정격은 시작 인러시 또는 고장 제거와 같은 비반복 이벤트를 위한 것입니다. 연속 전류 처리 능력을 계산하는 데 사용해서는 안 됩니다. 다른 펄스 지속 시간에 대해서는 "IFSM – PW" 곡선을 참조해야 합니다.

Q: 커패시턴스 저장 에너지(EC) 파라미터의 중요성은 무엇인가요?

A: LLC 공진 컨버터와 같은 응용에서 다이오드의 출력 커패시턴스(Coss)는 각 스위칭 사이클에서 방전되어 손실을 일으킵니다. EC는 이 손실을 정량화합니다. 낮은 EC는 낮은 커패시턴스 스위칭 손실을 의미합니다.

9. 실용 설계 사례 연구

시나리오: 서버 전원 공급 장치를 위한 1kW, 80 Plus Titanium 효율 PFC 단계 설계.

이 설계는 100kHz에서 스위칭하는 인터리브 임계 전도 모드(CrM) 토폴로지를 사용합니다. 각 상은 500W를 처리합니다. 부스트 다이오드는 최대 400VDC를 차단하고 약 10A의 피크 전류를 전달해야 합니다. 초기에 실리콘 초고속 다이오드를 고려했지만, 높은 라인에서 상당한 회복 관련 손실이 있을 것으로 계산되었습니다.

이 650V SiC 쇼트키 다이오드로 교체함으로써 회복 손실이 제거됩니다. 남은 손실은 주로 전도 손실(VF 및 RMS 전류 기반)과 작은 커패시턴스 손실(EC 기반)입니다. RθJC=3.6°C/W 및 설계된 최대 Tj 125°C를 사용한 열 계산은 다이오드 접합 온도 상승이 PCB 구리 면적을 주요 방열판으로 사용하여 관리 가능함을 보여줍니다. 이 교체는 Titanium 표준을 위한 230VAC 입력에서 >96% 효율성 요구 사항을 충족하는 데 직접 기여하며, 높고 깨끗한 스위칭 주파수로 인해 자성체를 더 작게 만들 수 있게 합니다.

10. 동작 원리

쇼트키 다이오드는 표준 다이오드의 p-n 반도체 접합과 달리 금속-반도체 접합에 의해 형성됩니다. 이 SiC 쇼트키 다이오드에서는 n형 실리콘 카바이드에 금속 접촉이 이루어집니다. 이는 쇼트키 배리어를 생성하며, 금속(애노드)에 반도체(캐소드)에 대해 양의 바이어스가 가해지면 순방향으로 전류가 쉽게 흐르게 합니다. 역바이어스에서는 배리어가 넓어져 전류 흐름을 차단합니다.

중요한 차이점은 전류 수송이 다수 캐리어(n형 SiC의 전자)에 의해 지배된다는 점입니다. PN 접합 다이오드와 같이 소수 캐리어(정공)의 주입, 저장 및 후속 제거가 없습니다. 따라서 다이오드가 순방향 전도에서 역방향 차단으로 전환될 때 역회복 전류 스파이크나 관련 지연 시간이 없습니다. 다이오드는 거의 즉시 꺼지며, 이는 접합 커패시턴스의 충전에 의해서만 제한됩니다. 이 기본 원리는 고속 스위칭 성능과 낮은 스위칭 손실의 근원입니다.

11. 기술 트렌드

실리콘 카바이드 전력 소자는 전력 전자 분야에서 중요한 트렌드를 나타내며, 실리콘 기반 소자보다 더 높은 효율성, 전력 밀도 및 작동 온도를 가능하게 합니다. 다이오드의 경우, 더 높은 전압 정격(현재 일반적으로 650V 및 1200V, 1700V 및 3300V가 등장 중), 더 낮은 순방향 전압 강하 및 감소된 커패시턴스를 향한 진화가 이루어지고 있습니다. 여기서 사용된 TO-252-3L (DPAK) 패키지는 표면 실장 전력용 주력 제품이지만, 최고 성능 응용을 위한 TOLL (TO-leadless) 및 D2PAK-7L과 같은 더 낮은 인덕턴스, 더 나은 열 성능 패키지로의 병행 트렌드도 있습니다. 통합은 또 다른 트렌드로, SiC MOSFET과 쇼트키 다이오드 "하프 브리지" 모듈이 함께 패키징되어 스위칭 셀의 기생 인덕턴스를 최소화하고 있습니다. SiC 기판의 지속적인 비용 감소는 이 기술을 프리미엄 서버 및 통신 전원 공급 장치를 넘어 자동차 온보드 충전기, 산업용 모터 드라이브 및 더 높은 효율성 표준을 추구하는 가전 제품을 포함한 더 넓은 범위의 응용 분야에 접근 가능하게 만들고 있습니다.