Dokumen Teknikal - Spesifikasi Diode SiC Schottky TO-220-2L 650V - 6A - Voltan Hadapan 1.5V

1. Gambaran Keseluruhan Produk

Dokumen ini memperincikan spesifikasi untuk Diode Halangan Schottky (SBD) Silikon Karbida (SiC) berprestasi tinggi yang dibungkus dalam pakej TO-220-2L. Peranti ini direka untuk aplikasi penukaran kuasa voltan tinggi dan frekuensi tinggi di mana kecekapan, pengurusan haba, dan kelajuan pensuisan adalah kritikal. Teknologi SiC menawarkan kelebihan ketara berbanding diod silikon tradisional, terutamanya disebabkan oleh sifat bahan yang lebih unggul.

Kelebihan teras diod ini terletak pada pembinaan halangan Schottky menggunakan Silikon Karbida. Tidak seperti diod simpang-PN konvensional, diod Schottky adalah peranti pembawa majoriti, yang secara asasnya menghapuskan cas pemulihan songsang (Qrr) dan kehilangan pensuisan yang berkaitan. Pelaksanaan SiC khusus ini membolehkan voltan sekatan tinggi 650V sambil mengekalkan penurunan voltan hadapan (VF) yang agak rendah dan cas kapasitif (Qc) yang minimum, membolehkan operasi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi berbanding alternatif silikon.

1.1 Ciri dan Faedah Utama

Ciri utama diod ini secara langsung diterjemahkan kepada faedah di peringkat sistem untuk pereka:

• Voltan Hadapan Rendah (VF = 1.5V tipikal pada 6A):Mengurangkan kehilangan konduksi, secara langsung meningkatkan kecekapan sistem dan menghasilkan kurang haba semasa operasi.
• Pensuisan Berkelajuan Tinggi Tanpa Pemulihan Songsang:Sebagai peranti Schottky, ia pada dasarnya tidak mempunyai masa atau cas pemulihan songsang (Qrr). Ini meminimumkan kehilangan pensuisan, membolehkan operasi frekuensi lebih tinggi, dan mengurangkan gangguan elektromagnet (EMI).
• Keupayaan Arus Alihan Tinggi (IFSM = 24A):Memberikan keteguhan terhadap transien arus dan keadaan arus masuk yang biasa ditemui dalam bekalan kuasa dan pemacu motor.
• Suhu Simpang Tinggi (TJ,maks = 175°C):Membolehkan operasi dalam persekitaran suhu ambien tinggi atau membolehkan penggunaan penyejuk haba yang lebih kecil, menyumbang kepada pengurangan saiz dan kos sistem.
• Operasi Selari:Pekali suhu positif bagi ciri voltan hadapan membantu mencegah pelarian haba, menjadikannya lebih selamat untuk menyelaraskan pelbagai peranti untuk aplikasi arus tinggi.
• Pematuhan Alam Sekitar:Peranti ini Bebas Plumbum, Bebas Halogen, dan Mematuhi RoHS, memenuhi peraturan alam sekitar moden.

1.2 Aplikasi Sasaran

Diod ini sangat sesuai untuk pelbagai aplikasi elektronik kuasa, termasuk tetapi tidak terhad kepada:

• Litar Pembetulan Faktor Kuasa (PFC) dalam Bekalan Kuasa Mod Pensuisan (SMPS):Pensuisan pantas dan penarafan voltan tinggi menjadikannya sempurna untuk peringkat PFC 'boost', meningkatkan kecekapan bekalan kuasa keseluruhan dan kualiti kuasa.
• Penyongsang Solar:Digunakan dalam penukar 'boost' atau kedudukan diod 'freewheeling' untuk memaksimumkan penuaian tenaga dan kecekapan penukaran daripada panel fotovolta.
• Bekalan Kuasa Tidak Terputus (UPS):Meningkatkan kecekapan dan ketumpatan kuasa peringkat penerus dan penyongsang.
• Pemacu Motor:Berfungsi sebagai diod 'freewheeling' atau 'clamping' dalam jambatan penyongsang, membolehkan pensuisan lebih pantas dan mengurangkan kehilangan dalam pemacu frekuensi boleh ubah (VFD).
• Pengagihan Kuasa Pusat Data:Menyumbang kepada kecekapan lebih tinggi dalam bekalan kuasa pelayan dan unit pengagihan kuasa, mengurangkan kos operasi dan keperluan penyejukan.

2. Analisis Parameter Teknikal Mendalam

Bahagian ini memberikan tafsiran objektif terperinci bagi parameter elektrik dan haba utama yang dinyatakan dalam lembaran data.

2.1 Penarafan Maksimum dan Had Mutlak

Ini adalah had tekanan yang tidak boleh dilampaui di bawah sebarang keadaan operasi untuk memastikan kebolehpercayaan dan mencegah kerosakan kekal.

• Voltan Songsang Puncak Berulang (VRRM): 650V- Ini adalah voltan songsang serta-merta maksimum yang boleh ditahan oleh diod secara berulang. Reka bentuk dengan margin 'derating' yang mencukupi (contohnya, 20-30% di bawah nilai ini untuk voltan sistem maksimum yang dijangkakan) adalah penting untuk kebolehpercayaan jangka panjang.
• Arus Hadapan Berterusan (IF): 6A- Ini adalah arus DC maksimum yang boleh dibawa oleh peranti secara berterusan apabila suhu kes (TC) pada 25°C. Dalam aplikasi sebenar, suhu kes akan lebih tinggi, jadi arus berterusan yang boleh digunakan dikurangkan berdasarkan rintangan haba dan keadaan ambien (lihat Ciri Haba).
• Arus Hadapan Alihan Tidak Berulang (IFSM): 24A- Penarafan ini menunjukkan keupayaan diod untuk mengendalikan arus alihan tunggal, jangka pendek (gelombang separuh sinus 10ms), seperti semasa permulaan atau keadaan ralat. Ini adalah parameter utama untuk keteguhan.
• Suhu Simpang (TJ): 175°C- Suhu maksimum yang dibenarkan bagi cip semikonduktor itu sendiri. Operasi melebihi had ini boleh menyebabkan kegagalan serta-merta atau degradasi dipercepatkan.

2.2 Ciri Elektrik

Ini adalah parameter prestasi tipikal di bawah keadaan ujian yang ditentukan.

• Voltan Hadapan (VF): 1.5V (Tip) pada IF=6A, TJ=25°C- Ini adalah parameter kritikal untuk pengiraan kehilangan konduksi (Ploss = VF * IF). Perhatikan bahawa VF meningkat dengan suhu simpang (hingga 1.9V maks pada 175°C), yang merupakan pekali suhu positif. Ciri ini membantu dalam perkongsian arus apabila peranti diselaraskan.
• Arus Bocor Songsang (IR): 0.8µA (Tip) pada VR=520V, TJ=25°C- Ini adalah arus kecil yang mengalir apabila diod terpincang songsang. Ia meningkat dengan ketara dengan suhu (9µA tip pada 175°C), menyumbang kepada kehilangan keadaan mati, terutamanya pada suhu tinggi.
• Jumlah Cas Kapasitif (QC): 10nC (Tip) pada VR=400V- Parameter ini mengukur cas yang berkaitan dengan kapasitans simpang diod. Semasa pensuisan, cas ini mesti dibekalkan atau dialihkan, menyumbang kepada kehilangan pensuisan. Nilai QC yang rendah adalah kelebihan utama diod Schottky SiC, membolehkan operasi frekuensi tinggi.
• Tenaga Tersimpan Kapasitans (EC): 1.5µJ (Tip) pada VR=400V- Mewakili tenaga yang disimpan dalam kapasitans diod pada voltan songsang tertentu (EC = 0.5 * C * V^2). Tenaga ini diserap semasa setiap kitaran pensuisan, menyumbang kepada kehilangan.

2.3 Ciri Haba

Pengurusan haba adalah penting untuk operasi yang boleh dipercayai dan mencapai arus tertaraf.

• Rintangan Haba, Simpang-ke-Kes (RθJC): 2.1°C/W (Tip)- Ini adalah rintangan kepada aliran haba dari simpang semikonduktor ke kes luar pakej TO-220. Nilai yang lebih rendah menunjukkan pemindahan haba yang lebih baik dari cip. Parameter ini digunakan untuk mengira kenaikan suhu simpang melebihi suhu kes: ΔTJ = PD * RθJC, di mana PD adalah penyebaran kuasa.
• Jumlah Penyebaran Kuasa (PD): 71W pada TC=25°C- Ini adalah kuasa maksimum yang boleh diserakkan oleh peranti apabila kes dikekalkan pada 25°C. Dalam praktiknya, ini adalah had teori yang digunakan untuk pengiraan 'derating'. Penyebaran kuasa maksimum sebenar ditentukan oleh suhu simpang maksimum (175°C), rintangan haba, dan suhu penyejuk haba/ambien.

3. Analisis Lengkung Prestasi

Graf prestasi tipikal memberikan pandangan visual tentang tingkah laku peranti di bawah pelbagai keadaan operasi.

3.1 Ciri VF-IF

Graf ini menunjukkan hubungan antara voltan hadapan dan arus hadapan pada suhu simpang yang berbeza. Pemerhatian utama: Lengkung adalah eksponen pada arus yang sangat rendah dan menjadi lebih linear pada arus yang lebih tinggi. Pekali suhu positif adalah jelas, kerana lengkung beralih ke atas untuk suhu yang lebih tinggi. Graf ini penting untuk mengira kehilangan konduksi tepat pada titik operasi tertentu.

3.2 Ciri VR-IR

Plot ini menggambarkan arus bocor songsang sebagai fungsi voltan songsang, biasanya pada pelbagai suhu. Ia menunjukkan bagaimana arus bocor kekal agak rendah sehingga menghampiri kawasan pecahan dan bagaimana ia meningkat secara eksponen dengan suhu. Maklumat ini penting untuk menganggarkan kehilangan keadaan mati dalam aplikasi suhu tinggi.

3.3 Ciri VR-Ct

Lengkung ini memaparkan jumlah kapasitans diod (Ct) berbanding voltan songsang (VR). Kapasitans berkurangan secara tidak linear apabila voltan songsang meningkat (disebabkan oleh pelebaran kawasan penipisan). Kapasitans berubah-ubah ini mempengaruhi dinamik pensuisan dan parameter QC.

3.4 Ciri Maksimum Ip – TC

Lengkung 'derating' ini menunjukkan bagaimana arus hadapan berterusan maksimum yang dibenarkan (IF) berkurangan apabila suhu kes (TC) meningkat. Ia adalah aplikasi langsung had haba: untuk mengekalkan simpang di bawah 175°C, kurang arus boleh dilalui apabila kes menjadi lebih panas. Ini adalah panduan utama untuk pemilihan penyejuk haba.

3.5 Galangan Haba Transien

Graf ini memplot rintangan haba transien (ZθJC) berbanding lebar denyut. Ia adalah penting untuk menilai kenaikan suhu semasa denyut arus pendek atau peristiwa pensuisan berulang. Jisim haba pakej menyebabkan rintangan berkesan lebih rendah untuk denyut yang sangat pendek berbanding RθJC keadaan mantap.

4. Maklumat Mekanikal dan Pakej

4.1 Garis Besar dan Dimensi Pakej

Peranti menggunakan pakej TO-220-2L piawai industri. Lukisan dimensi terperinci memberikan nilai minimum, tipikal, dan maksimum untuk semua ciri kritikal, termasuk ketinggian keseluruhan (A: 4.5mm tip), panjang pendawaian (L: 13.18mm tip), dan jarak lubang pemasangan (D1: 9.05mm tip). Pematuhan kepada dimensi ini adalah perlu untuk susun atur PCB dan pemasangan mekanikal yang betul.

4.2 Konfigurasi Pin dan Polarity

Pakej TO-220-2L mempunyai dua pendawaian:

1. Pin 1: Katod (K).

2. Pin 2: Anod (A).

Tambahan pula, tab logam (kes) pakej disambungkan secara elektrik kepada Katod. Ini adalah pertimbangan keselamatan dan reka bentuk yang kritikal. Tab mesti diasingkan daripada litar lain (contohnya, menggunakan mesin basuh penebat dan sarung) melainkan persamaan litar juga adalah potensi katod.

4.3 Susun Atur Pad PCB yang Disyorkan

Tapak kaki yang dicadangkan untuk pemasangan permukaan pendawaian terbentuk disediakan. Susun atur ini memastikan pembentukan sendi pateri yang betul, kekuatan mekanikal, dan pelepasan haba semasa proses pateri gelombang atau aliran semula.

5. Garis Panduan Pemasangan dan Pengendalian

5.1 Tork Pemasangan

Tork pemasangan yang ditentukan untuk skru yang digunakan untuk memasang pakej ke penyejuk haba adalah 8.8 N·m (atau setara dalam lbf-in) untuk skru M3 atau 6-32. Menggunakan tork yang betul adalah penting: tork tidak mencukupi membawa kepada rintangan haba tinggi, manakala tork berlebihan boleh merosakkan pakej atau PCB.

5.2 Antara Muka Haba

Untuk meminimumkan rintangan haba antara kes peranti dan penyejuk haba, lapisan nipis bahan antara muka haba (TIM), seperti gris, pad jurang, atau bahan perubahan fasa, mesti digunakan. TIM mengisi jurang udara mikroskopik, meningkatkan pemindahan haba dengan ketara.

5.3 Keadaan Penyimpanan

Peranti harus disimpan dalam julat suhu penyimpanan yang ditentukan -55°C hingga +175°C dalam persekitaran kering dan tidak menghakis. Maklumat Tahap Kepekaan Kelembapan (MSL), jika terpakai untuk pendawaian, harus dirujuk daripada pengilang untuk pengendalian yang betul sebelum pateri.

6. Pertimbangan Reka Bentuk Aplikasi

6.1 Litar Snubber

Walaupun diod Schottky SiC mempunyai pemulihan songsang yang boleh diabaikan, kapasitans simpannya masih boleh berinteraksi dengan parasit litar (induktansi sesat) untuk menyebabkan lonjakan voltan dan deringan semasa pemutusan. Rangkaian snubber RC ringkas merentasi diod mungkin diperlukan untuk meredam ayunan ini dan mengurangkan EMI, terutamanya dalam litar di/dt tinggi.

6.2 Pertimbangan Pemacu Gerbang untuk Suis Pendamping

Apabila diod ini digunakan sebagai diod 'freewheeling' atau 'boost' dengan MOSFET atau IGBT, pensuisan pantasnya boleh dikompromikan oleh pemutusan perlahan suis utama. Memastikan susun atur rendah induktansi dan pemacu gerbang yang kuat dan pantas untuk suis aktif adalah penting untuk menggunakan sepenuhnya kelajuan diod dan meminimumkan konduksi diod badan MOSFET.

6.3 Operasi Selari

Pekali suhu positif VF memudahkan perkongsian arus dalam konfigurasi selari. Walau bagaimanapun, untuk keseimbangan arus dinamik dan statik yang optimum, susun atur simetri adalah wajib. Ini termasuk panjang surih dan galangan yang sama ke anod dan katod setiap diod, dan memasangnya pada penyejuk haba biasa untuk menyamakan suhu.

7. Perbandingan Teknikal dan Kelebihan

Berbanding dengan diod pemulihan pantas silikon standard (FRD) atau bahkan diod badan MOSFET silikon karbida, diod Schottky SiC ini menawarkan kelebihan yang berbeza:

• vs. FRD Silikon:Perbezaan paling ketara adalah ketiadaan cas pemulihan songsang (Qrr). FRD silikon mempunyai Qrr yang besar, menyebabkan lonjakan arus besar semasa pertukaran, membawa kepada kehilangan pensuisan tinggi, tekanan meningkat pada suis utama, dan EMI yang lebih besar. Schottky SiC menghapuskan ini, membolehkan kecekapan dan frekuensi yang lebih tinggi.
• vs. Diod PN Silikon:Selain pemulihan, peranti SiC biasanya mempunyai voltan hadapan yang lebih rendah pada suhu tinggi dan suhu simpang maksimum yang jauh lebih tinggi (175°C vs. 150°C untuk banyak bahagian silikon), membolehkan reka bentuk haba yang lebih padat.
• vs. Diod Schottky Silikon Voltan Rendah:Diod Schottky silikon tradisional terhad kepada voltan sekatan di bawah kira-kira 200V disebabkan arus bocor tinggi. Sifat bahan SiC membolehkan reka bentuk halangan Schottky dilanjutkan kepada 650V dan ke atas sambil mengekalkan prestasi pensuisan dan konduksi yang cemerlang.

8. Soalan Lazim (FAQ)

8.1 Adakah diod ini memerlukan snubber pemulihan songsang?

Tidak, ia tidak memerlukan snubber untuk menguruskan kehilangan pemulihan songsang, kerana ia pada dasarnya tidak mempunyai Qrr. Walau bagaimanapun, snubber RC mungkin masih bermanfaat untuk meredam deringan voltan yang disebabkan oleh interaksi kapasitans simpannya dengan induktansi sesat litar.

8.2 Bagaimana saya mengira penyebaran kuasa?

Penyebaran kuasa mempunyai dua komponen utama: kehilangan konduksi dan kehilangan pensuisan kapasitif.

Kehilangan Konduksi: P_cond = VF * IF * Kitaran_Tugas (di mana VF diambil pada arus operasi dan suhu simpang).

Kehilangan Pensuisan Kapasitif: P_sw_cap = 0.5 * C * V^2 * f_sw (atau gunakan nilai EC yang disediakan). Oleh kerana kehilangan Qrr adalah sifar, ia tidak termasuk. Jumlah PD adalah jumlah ini, yang digunakan dengan rintangan haba untuk mengira kenaikan suhu simpang.

8.3 Bolehkah saya menggunakannya dalam aplikasi bas DC 400V?

Ya, diod VRRM 650V adalah tertaraf sesuai untuk bas DC 400V. Amalan reka bentuk biasa adalah untuk 'derating' sebanyak 20-30%, bermakna voltan songsang berulang maksimum harus 1.2-1.3 kali voltan sistem maksimum. 650V / 1.3 = 500V, yang memberikan margin keselamatan yang baik untuk bas 400V, mengambil kira transien dan lonjakan.

8.4 Adakah tab logam itu hidup?

Ya. Lembaran data dengan jelas menyatakan "KES: Katod." Tab logam disambungkan secara elektrik kepada pin katod. Ia mesti diasingkan daripada penyejuk haba (yang sering disambungkan ke bumi atau tanah casis) melainkan katod berada pada potensi yang sama.

9. Contoh Reka Bentuk Praktikal

Senario:Mereka bentuk peringkat Pembetulan Faktor Kuasa (PFC) 'boost' 1.5kW dengan output 400V DC daripada input AC sejagat (85-265VAC). Frekuensi pensuisan ditetapkan kepada 100 kHz untuk pengurangan saiz magnet.

Rasional Pemilihan Diod:Diod 'boost' mesti menyekat voltan output (400V ditambah riak). Lonjakan voltan dijangkakan. Penarafan 650V memberikan margin yang mencukupi. Pada 100 kHz, kehilangan pensuisan adalah dominan. FRD silikon standard akan mempunyai kehilangan Qrr yang sangat tinggi pada frekuensi ini. Diod Schottky SiC ini, dengan Qrr hampir sifar dan QC rendah, meminimumkan kehilangan pensuisan, menjadikan operasi frekuensi tinggi boleh dilaksanakan dan cekap. Arus purata anggaran dalam diod dikira daripada kuasa output dan voltan. Penarafan berterusan 6A, apabila dipasang dengan penyejuk haba yang betul, adalah sesuai untuk tahap kuasa ini. VF rendah juga mengekalkan kehilangan konduksi yang boleh diurus.

Reka Bentuk Haba:Menggunakan jumlah penyebaran kuasa anggaran (P_cond + P_sw_cap), RθJC, dan sasaran suhu simpang maksimum (contohnya, 125°C untuk margin kebolehpercayaan), rintangan haba penyejuk haba yang diperlukan (RθSA) boleh dikira untuk memastikan peranti beroperasi dalam had selamat.

10. Latar Belakang dan Tren Teknologi

10.1 Kelebihan Bahan Silikon Karbida (SiC)

Silikon Karbida adalah bahan semikonduktor jurang jalur lebar. Sifat utamanya termasuk medan elektrik kritikal yang lebih tinggi (membolehkan lapisan hanyut lebih nipis, voltan lebih tinggi), kekonduksian haba yang lebih tinggi (penyerakan haba lebih baik), dan keupayaan untuk beroperasi pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada silikon. Sifat intrinsik ini adalah yang membolehkan prestasi voltan tinggi, suhu tinggi, dan frekuensi tinggi diod Schottky SiC dan peranti kuasa SiC lain.

10.2 Tren Pasaran dan Teknologi

Penerimaan peranti kuasa SiC semakin pantas, didorong oleh permintaan global untuk kecekapan tenaga yang lebih tinggi, ketumpatan kuasa, dan pengelektrikan pengangkutan dan industri. Diod dan MOSFET SiC menjadi piawai dalam penyongsang solar berprestasi tinggi, pengecas dan pemacu tujahan kenderaan elektrik, dan bekalan kuasa pelayan maju. Tren adalah ke arah penarafan voltan lebih tinggi (contohnya, 1200V, 1700V) untuk aplikasi industri dan automotif, rintangan hidup spesifik lebih rendah untuk MOSFET, dan integrasi peranti SiC ke dalam modul kuasa. Apabila volum pembuatan meningkat dan kos menurun, teknologi SiC sedang bergerak dari aplikasi premium ke pasaran arus perdana yang lebih luas.