TO-252-3L SiC 쇼트키 다이오드 데이터시트 - 650V, 8A, 1.5V, 175°C - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

본 문서는 TO-252-3L (DPAK) 표면 실장 패키지에 장착된 고성능 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)의 사양을 상세히 설명합니다. 이 소자는 효율성, 열 성능 및 스위칭 속도가 중요한 고전압, 고주파 전력 변환 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 핵심 기술은 실리콘 카바이드의 우수한 재료 특성을 활용하여, 기존 실리콘 기반 다이오드에 비해 더 높은 온도, 전압 및 스위칭 주파수에서 동작할 수 있도록 합니다.

이 부품의 주요 포지셔닝은 고급 전원 공급 토폴로지에서 정류기 또는 프리휠링 다이오드로 사용되는 것입니다. 고유한 특성으로 인해 손실을 최소화하고 수동 소자 및 방열판의 크기를 줄이는 것을 목표로 하는 현대적 고밀도 전력 설계에 이상적인 선택입니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 전기적 특성

전기적 파라미터는 특정 조건에서의 동작 한계와 성능을 정의합니다.

• 반복 피크 역전압 (VRRM):650V. 이는 다이오드가 반복적으로 견딜 수 있는 최대 순간 역전압입니다. 소자의 전압 등급을 정의하며, 정류된 주전압에서 동작하는 역률 보정(PFC) 또는 인버터 브리지와 같은 회로에서 다이오드를 선택할 때 중요합니다.
• 연속 순방향 전류 (IF):케이스 온도(TC) 135°C에서 8A. 이 정격은 열 방산에 의해 제한되는 연속 전도 상태에서 다이오드의 전류 운반 능력을 나타냅니다. 높은 케이스 온도에서의 사양은 견고한 열 성능을 강조합니다.
• 순방향 전압 (VF):접합 온도(TJ) 25°C, 8A에서 일반적으로 1.5V, 최대 1.85V. 이 파라미터는 직접적으로 전도 손실에 영향을 미칩니다. SiC 소자에 비해 상대적으로 낮은 VF는 시스템 효율성을 높이는 데 기여합니다. VF는 음의 온도 계수를 가지며, 이는 접합 온도가 상승함에 따라 감소한다는 것을 의미하며, 이는 쇼트키 다이오드의 특징입니다.
• 역전류 (IR):520V, 25°C에서 최대 40 µA. 이 누설 전류는 높은 역전압 및 고온(175°C에서 최대 20 µA)에서도 매우 낮아 오프 상태 손실을 최소화합니다.
• 총 커패시턴스 전하 (QC):400V에서 일반적으로 12 nC. 이는 스위칭 성능을 평가하는 핵심 지표입니다. 낮은 QC는 각 스위칭 사이클 동안 이동해야 하는 전하가 적다는 것을 의미하며, 이는 더 낮은 스위칭 손실과 더 높은 주파수 동작을 가능하게 합니다.

2.2 최대 정격 및 열적 특성

이 파라미터들은 안전한 동작을 위한 절대 한계와 소자의 열 관리 능력을 정의합니다.

• 서지 비반복 순방향 전류 (IFSM):10ms 반사인파에 대해 14.4A. 이 정격은 단락 사건, 돌입 전류 또는 기타 과도 과부하 조건에서 생존하는 데 중요합니다.
• 접합 온도 (TJ):최대 175°C. 높은 최대 동작 온도는 SiC 재료의 직접적인 이점으로, 가혹한 환경에서의 동작 또는 더 높은 전력 밀도로 더 컴팩트한 설계를 가능하게 합니다.
• 열저항, 접합-케이스 (RθJC):일반적으로 3.7 °C/W. 이 낮은 열저항은 반도체 접합에서 패키지 케이스로의 효율적인 열 전달을 나타냅니다. 이는 주어진 전력 소산에 대해 접합 온도가 얼마나 상승할지 결정하므로 열 관리 설계에 있어 중요한 파라미터입니다. 낮은 RθJC는 더 높은 전력 처리 또는 더 작은 방열판 사용을 가능하게 합니다.
• 총 전력 소산 (PD):40W. 이는 열저항과 최대 접합 온도에 의해 결정되는 소자가 소산할 수 있는 최대 전력입니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트에는 상세 설계 및 시뮬레이션에 필수적인 여러 특성 곡선이 포함되어 있습니다.

3.1 순방향 특성 (VF-IF)

이 그래프는 다양한 접합 온도에서 순방향 전압 강하를 순방향 전류에 대해 표시합니다. 설계자는 이를 사용하여 다양한 동작 조건에서의 전도 손실을 정확히 계산합니다. 곡선은 일반적인 지수 관계를 보여주며, 주어진 전류에 대해 온도가 높을수록 전압 강하가 낮아집니다.

3.2 역방향 특성 (VR-IR)

이 곡선은 인가된 역전압의 함수로서 역 누설 전류를 설명합니다. 동작 전압 범위에서 표에 명시된 낮은 누설 전류를 확인시켜 줍니다.

3.3 커패시턴스 특성 (VR-Ct)

이 그래프는 접합 커패시턴스(Ct) 대 역전압(VR)을 보여줍니다. 커패시턴스는 역전압이 증가함에 따라 비선형적으로 감소합니다. 이 정보는 저장 전하(QC)가 전압에 대한 이 커패시턴스의 적분이므로 스위칭 동작을 예측하는 데 중요합니다. 전압에 따라 감소하는 커패시턴스는 고전압 스위칭에 유리한 특성입니다.

3.4 서지 전류 디레이팅 (IFSM – PW)

이 특성은 허용 서지 전류(IFSM)가 펄스 폭(PW)이 증가함에 따라 어떻게 감소하는지 보여줍니다. 이는 표준 10ms 정격 이상의 보호 회로 설계 또는 고장 조건 생존 가능성 평가를 위한 지침을 제공합니다.

3.5 과도 열 임피던스 (ZθJC)

이 곡선은 펄스 전력 조건에서 열 성능을 평가하는 데 중요합니다. 다양한 지속 시간의 단일 펄스에 대한 접합에서 케이스까지의 유효 열저항을 보여줍니다. 짧은 펄스의 경우, 열 임피던스는 정상 상태 RθJC보다 훨씬 낮아, 접합이 과열 없이 더 높은 순간 전력을 처리할 수 있음을 의미합니다. 이는 높은 피크 전류를 가지는 응용 분야에 핵심적입니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 외형 및 치수

소자는 업계 표준 TO-252-3L (DPAK) 표면 실장 패키지를 사용합니다. 데이터시트의 주요 치수는 다음과 같습니다:

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

모든 중요 치수에 대한 최소, 일반, 최대 값을 포함한 상세한 기계 도면이 제공되어 적절한 PCB 풋프린트 설계 및 조립 간극을 보장합니다.

4.2 핀 구성 및 극성

TO-252-3L 패키지는 두 개의 리드와 노출된 금속 탭(케이스) 등 세 개의 연결점을 가집니다.

• 핀 1:캐소드 (K)
• 핀 2:애노드 (A)
• 케이스 (탭):캐소드 (K)에 연결됨

중요 참고사항:케이스는 전기적으로 캐소드에 연결되어 있습니다. 이는 우발적인 단락을 방지하기 위해 PCB 레이아웃 시 고려해야 합니다. 탭은 열 방산을 위한 주요 경로를 제공하며 PCB의 적절한 크기의 구리 패드에 솔더링되어야 합니다.

4.3 권장 PCB 패드 레이아웃

표면 실장 패드를 위한 권장 풋프린트가 포함되어 있습니다. 이 레이아웃은 솔더 접합 신뢰성과 열 성능에 최적화되었습니다. 일반적으로 열 탭(캐소드)을 위한 큰 중앙 패드가 PCB 구리로의 열 전달을 극대화하고, 애노드 및 캐소드 리드를 위한 두 개의 작은 패드가 있습니다. 이 권장 사항을 따르면 적절한 솔더 필렛을 달성하고 열 응력을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

5. 솔더링 및 조립 지침

이 발췌문에서는 특정 리플로우 프로파일이 상세히 설명되지 않았지만, TO-252 패키지의 표면 실장 소자에 대한 일반 지침이 적용됩니다.

• 리플로우 솔더링:최고 온도가 260°C를 초과하지 않는 표준 무연(Pb-free) 리플로우 프로파일이 일반적으로 적합합니다. 탭의 큰 열 질량은 모든 솔더 접합이 적절한 리플로우 온도에 도달하도록 프로파일 튜닝을 신중히 할 필요가 있을 수 있습니다.
• 핸들링:모든 반도체 소자와 마찬가지로 표준 ESD(정전기 방전) 예방 조치를 준수해야 합니다.
• 보관:소자는 건조하고 통제된 환경에 보관해야 합니다. 지정된 보관 온도 범위는 -55°C ~ +175°C입니다.

6. 응용 제안

6.1 대표적인 응용 회로

• PFC 단계의 부스트 다이오드:빠른 스위칭과 낮은 QC는 고주파(예: 65-100 kHz)에서 스위칭 손실을 최소화하여 PFC 효율성을 향상시킵니다. 높은 VRRM은 유니버설 입력(85-265VAC) 설계에 적합합니다.
• LLC 공진 컨버터의 출력 정류기:제로 역회복 특성은 역회복 손실을 제거하며, 이는 고주파 공진 토폴로지에서 주요 장점으로, 더 시원한 동작과 더 높은 효율성을 가져옵니다.
• 모터 드라이브 및 인버터의 프리휠링/클램핑 다이오드:스위칭 MOSFET 또는 IGBT와 병렬로 사용되어 유도성 부하 전류 경로를 제공합니다. 빠른 스위칭은 전압 스파이크를 방지하고 메인 스위치의 스트레스를 줄입니다.
• 태양광 마이크로 인버터 및 스트링 인버터:야외 환경에서의 높은 효율성과 고온 동작으로부터 이점을 얻습니다.
• 고밀도 AC/DC 및 DC/DC 컨버터:고주파 능력과 고온 정격의 조합은 더 작은 자기 소자와 방열판을 가능하게 하여 전력 밀도를 증가시킵니다.

6.2 설계 시 고려사항

• 열 관리:낮은 RθJC에도 불구하고, 적절한 방열은 필수적입니다. 탭을 위한 PCB 패드는 전체 전류 및 전력 정격을 활용하기 위해 큰 구리 평면 또는 외부 방열판에 연결되어야 합니다. 패드 아래의 열 비아는 열을 내부 또는 하단 레이어로 전달하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 병렬 소자 사용:데이터시트는 "열 폭주 없이 병렬 소자 사용"의 이점을 언급합니다. 이는 SiC 쇼트키 다이오드에서 순방향 전압의 양의 온도 계수 때문입니다. 하나의 소자가 더 뜨거워지면 그 VF가 약간 증가하여 전류가 더 시원한 병렬 소자와 더 균등하게 공유되도록 하여 안정적인 전류 분담을 촉진합니다.
• 스너버 회로:다이오드 자체는 매우 빠르지만, 회로 기생 요소(스트레이 인덕턴스)는 여전히 턴오프 중에 전압 오버슈트를 일으킬 수 있습니다. 스너버 회로(RC 또는 RCD)는 이러한 스파이크를 클램핑하고 다이오드 및 기타 구성 요소를 보호하기 위해 일부 높은 di/dt 응용 분야에서 필요할 수 있습니다.
• 게이트 드라이브 고려사항 (관련 스위치용):이 다이오드의 빠른 스위칭은 높은 di/dt 및 dv/dt를 초래할 수 있습니다. 이는 밀러 효과로 인한 오동작 방지를 위해 동반 MOSFET/IGBT의 게이트 드라이브 설계에 주의를 기울일 필요가 있을 수 있습니다.

7. 기술 비교 및 장점

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

• 제로 역회복 전류 (Qrr=0):이는 실리콘 PN 접합 다이오드에 비해 가장 중요한 장점입니다. 역회복 손실 및 관련 스위칭 노이즈를 완전히 제거하여 더 높은 효율성과 주파수를 가능하게 합니다.
• 초기 SiC 다이오드보다 낮은 순방향 전압:현대 SiC 쇼트키 다이오드는 VF를 크게 줄여, 모든 고속 및 고온 이점을 유지하면서 실리콘 다이오드와의 격차를 좁혔습니다.
• 더 높은 동작 온도:최대 접합 온도 175°C 대 실리콘의 일반적 150°C로, 고온 환경에서 더 큰 설계 여유와 신뢰성을 제공합니다.
• 우수한 서지 내성:크기에 비해 좋은 IFSM 정격으로 견고성을 제공합니다.
• SiC MOSFET 바디 다이오드 대비:SiC MOSFET의 바디 다이오드도 역회복이 좋지 않은 PIN 다이오드이지만, 하드 스위칭 회로에서는 바디 다이오드의 손실을 피하기 위해 별도의 SiC 쇼트키를 프리휠링 다이오드로 사용하는 것이 종종 선호됩니다.

8. 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: "제로 역회복"이 실제로 내 설계에 어떤 의미가 있나요?

A: 효율 계산에서 역회복 손실을 무시할 수 있다는 의미입니다. 또한 스너버 설계를 단순화하고 다이오드 턴오프 중에 발생하는 전자기 간섭(EMI)을 줄입니다.

Q: 케이스가 캐소드에 연결되어 있습니다. 필요한 경우 어떻게 절연하나요?

A: 전기적 절연을 위해서는 다이오드 탭과 방열판 사이에 절연 열 패드(예: 운모, 실리콘)를 사용하고, 장착 나사를 위한 절연 숄더 와셔를 함께 사용해야 합니다. 이는 열저항을 추가하므로 트레이드오프를 계산해야 합니다.

Q: 이 다이오드를 전체 8A 정격으로 지속적으로 사용할 수 있나요?

A: 케이스 온도를 135°C 이하로 유지할 수 있는 경우에만 가능합니다. 열 설계 결과 케이스 온도가 더 높아지면 실제 연속 전류는 더 낮아집니다. 전력 소산(PD)과 열저항(RθJC)을 사용하여 특정 방열판 및 주변 조건에 대한 최대 허용 전력 손실을 계산한 다음, VF 곡선에서 전류를 도출하십시오.

Q: QC 파라미터가 왜 중요하나요?

A: QC는 다이오드의 접합 커패시턴스에 저장된 에너지를 나타냅니다. 회로에서 반대 스위치가 턴온되는 동안, 이 전하는 제거되어야 하며, 이로 인해 전류 스파이크가 발생합니다. 낮은 QC는 이 스파이크를 줄여 제어 스위치의 스위칭 손실을 낮추고 두 구성 요소의 스트레스를 줄입니다.

9. 실용 설계 사례 연구

시나리오:100 kHz에서 동작하는 브리지리스 토템폴 PFC 단계를 가진 500W, 80Plus Titanium 효율 서버 전원 공급 장치(PSU) 설계.

도전 과제:PFC 부스트 위치의 기존 실리콘 초고속 다이오드는 100 kHz에서 상당한 역회복 손실을 나타내어 효율성을 제한하고 열 관리 문제를 일으킵니다.

해결책:650V SiC 쇼트키 다이오드를 부스트 다이오드로 구현.

구현 및 결과:

1. 다이오드는 표준 부스트 다이오드 위치에 배치됩니다.

2. 제로 역회복으로 인해 턴오프 스위칭 손실이 사실상 제거됩니다.

3. 낮은 Qc는 상보적 MOSFET의 턴온 손실을 줄입니다.

4. 높은 175°C 정격으로 인해 다른 고온 구성 요소 근처에 배치할 수 있습니다.

5. 결과:측정된 PFC 단계 효율은 최고의 실리콘 대안에 비해 풀 로드에서 약 0.7% 증가했습니다. 이는 엄격한 Titanium 효율 표준 충족에 직접적으로 기여합니다. 또한, 다이오드는 더 시원하게 동작하여 더 컴팩트한 레이아웃 또는 감소된 공기 흐름 요구 사항을 가능하게 하여 전력 밀도를 증가시킵니다.

10. 동작 원리

쇼트키 다이오드는 반도체-반도체 접합을 사용하는 표준 PN 접합 다이오드와 달리 금속-반도체 접합에 의해 형성됩니다. 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드에서 반도체는 SiC입니다. 금속-SiC 접합은 쇼트키 배리어를 생성하여 다수 캐리어 전도만( N형 SiC의 전자)을 허용합니다. 이는 전도에 다수 및 소수 캐리어(확산 전류)가 모두 관여하는 PN 다이오드와 대조적입니다.

소수 캐리어 주입 및 저장의 부재는 역회복이 없는 근본적인 이유입니다. 쇼트키 다이오드 양단의 전압이 반전되면, 드리프트 영역에서 쓸어내려야 할 저장된 소수 전하가 없습니다; 캐리어가 접합에서 고갈되면 전류는 거의 순간적으로 단순히 중단됩니다. 이는 "제로 역회복" 특성을 초래합니다. 빠른 스위칭은 이 단극성 전도 메커니즘의 직접적인 결과입니다.

11. 기술 동향

실리콘 카바이드 전력 소자는 전력 전자 분야 전반에 걸쳐 더 높은 효율성, 더 높은 주파수 및 더 높은 전력 밀도로의 지속적인 추세를 가능하게 하는 핵심 기술입니다. SiC 다이오드 시장은 여러 요인에 의해 주도됩니다:

• 전기 자동차 (EV):더 빠른 온보드 충전기(OBC), 더 효율적인 DC-DC 컨버터 및 더 높은 스위칭 주파수를 가진 트랙션 인버터에 대한 수요.
• 재생 에너지:태양광 및 풍력 인버터는 더 높은 효율성(에너지 생산량 증가)과 더 높은 온도 능력(야외 설치에서 신뢰성 향상)으로부터 이점을 얻습니다.
• 데이터 센터 및 통신:더 높은 효율성(예: 80Plus Titanium) 및 증가된 랙 전력 밀도 추구는 서버 PSU 및 정류기에서 SiC 다이오드와 같은 고급 구성 요소 사용을 필요로 합니다.
• 산업 모터 드라이브:더 높은 제어 대역폭과 효율성을 추구합니다.

특히 SiC 쇼트키 다이오드의 추세는 더 낮은 순방향 전압 강하(전도 손실 감소), 더 높은 전류 밀도(주어진 정격에 대해 더 작은 다이 크기), 제조 규모 및 공정 성숙도를 통한 개선된 신뢰성 및 비용 절감을 향하고 있습니다. 멀티칩 모듈에서 SiC MOSFET과의 통합도 증가하는 추세입니다.