Dokumen Teknikal EL-SAF01 665JA - Diod Schottky SiC 650V 16A Pakej TO-220-2L

1. Gambaran Keseluruhan Produk

EL-SAF01 665JA ialah diod halangan Schottky Silikon Karbida (SiC) yang direka untuk aplikasi penukaran kuasa frekuensi tinggi dan kecekapan tinggi. Dibungkus dalam pakej piawai TO-220-2L, peranti ini memanfaatkan sifat bahan unggul Silikon Karbida untuk menyampaikan ciri prestasi yang jauh mengatasi diod berasaskan silikon tradisional. Fungsi terasnya adalah untuk menyediakan aliran arus sehala dengan kehilangan pensuisan dan cas pemulihan songsang yang minimum, menjadikannya pilihan ideal untuk bekalan kuasa dan penyongsang moden di mana kecekapan dan ketumpatan kuasa adalah kritikal.

Pasaran utama untuk komponen ini termasuk pereka dan jurutera yang bekerja pada bekalan kuasa mod pensuisan (SMPS), sistem penukaran tenaga solar, bekalan kuasa tanpa gangguan (UPS), pengawal pemacu motor, dan infrastruktur kuasa pusat data. Kelebihan utamanya terletak pada membolehkan reka bentuk sistem beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, yang seterusnya membolehkan pengurangan saiz komponen pasif (seperti induktor dan kapasitor), membawa kepada penjimatan kos dan saiz sistem keseluruhan. Tambahan pula, rintangan terma rendahnya mengurangkan keperluan penyejukan, menyumbang kepada penyelesaian pengurusan terma yang lebih mudah dan boleh dipercayai.

2. Analisis Parameter Teknikal Mendalam

2.1 Ciri-ciri Elektrik

Parameter elektrik menentukan batas operasi dan prestasi diod di bawah keadaan tertentu.

• Voltan Puncak Songsang Berulang Maksimum (VRRM):650V. Ini ialah voltan serta-merta maksimum yang boleh ditahan oleh diod dalam arah pincang songsang tanpa pecah. Ia menentukan kadar voltan untuk aplikasi seperti penerusan 400VAC atau peringkat PFC boost.
• Arus Hadapan Berterusan (IF):16A. Ini ialah arus hadapan purata maksimum yang boleh dikendalikan oleh peranti secara berterusan, biasanya ditentukan pada suhu kes (Tc) 25°C. Pengurangan kadar diperlukan pada suhu ambien yang lebih tinggi.
• Voltan Hadapan (VF):Biasanya 1.5V pada IF=16A dan Tj=25°C, dengan maksimum 1.85V. Parameter ini adalah penting untuk mengira kehilangan konduksi (P_loss = VF * IF). Lembaran data juga menentukan VF pada suhu simpang maksimum (Tj=175°C), yang biasanya lebih tinggi (1.9V typ.), penting untuk pengiraan kehilangan kes terburuk.
• Arus Songsang (IR):Arus bocor yang sangat rendah, biasanya 2µA pada VR=520V dan Tj=25°C. Walaupun pada suhu tinggi (175°C), ia kekal boleh dikawal pada 30µA typ. Kebocoran rendah meminimumkan kehilangan kuasa siap sedia.
• Cas Kapasitif Jumlah (QC):Parameter kritikal untuk diod Schottky SiC, ditentukan sebagai 22nC typ. pada VR=400V. Tidak seperti diod konvensional, Schottky SiC tidak mempunyai penyimpanan pembawa minoriti, jadi kehilangan pensuisannya terutamanya kapasitif. QC mewakili cas yang mesti dibekalkan/dinyahcas semasa setiap kitaran pensuisan, secara langsung mempengaruhi kehilangan pensuisan (E_sw ~ 0.5 * QC * V). Nilai rendah ini membolehkan operasi frekuensi tinggi.

2.2 Ciri-ciri Terma

Pengurusan terma adalah penting untuk kebolehpercayaan dan prestasi.

• Rintangan Terma Simpang-ke-Kes (RθJC):1.3°C/W tipikal. Nilai rendah ini menunjukkan pemindahan haba yang cekap dari simpang semikonduktor ke kes pakej. Ia membolehkan haba yang dihasilkan oleh penyebaran kuasa (kehilangan konduksi dan pensuisan) dikeluarkan dengan berkesan melalui heatsink yang dipasang pada kes.
• Suhu Simpang Maksimum (TJ):175°C. Suhu mutlak maksimum yang boleh dicapai oleh simpang silikon karbida. Beroperasi dekat dengan had ini mengurangkan kebolehpercayaan jangka panjang, jadi margin reka bentuk adalah disyorkan.
• Penyebaran Kuasa Jumlah (PD):115W pada Tc=25°C. Ini ialah kuasa maksimum yang boleh disebarkan oleh peranti di bawah keadaan penyejukan ideal (kes dikekalkan pada 25°C). Dalam aplikasi sebenar, penyebaran yang dibenarkan adalah lebih rendah dan bergantung pada keupayaan heatsink untuk mengekalkan suhu kes rendah.

2.3 Kadar Maksimum dan Ketahanan

Kadar ini menentukan had mutlak di mana kerosakan kekal mungkin berlaku.

• Arus Hadapan Tidak Berulang Surge (IFSM):56A untuk gelombang separa sinus 10ms. Kadar ini menunjukkan keupayaan diod untuk menahan peristiwa arus litar pintas atau inrush, faktor utama untuk kebolehpercayaan dalam keadaan kerosakan.
• Julat Suhu Penyimpanan (TSTG):-55°C hingga +175°C. Menentukan julat suhu selamat untuk peranti apabila tidak berkuasa.
• Tork Pemasangan (Md):0.8 hingga 8.8 N·m (atau 7 hingga 78 lbf·in) untuk skru M3 atau 6-32. Tork yang betul adalah penting untuk sentuhan terma yang baik antara tab pakej dan heatsink.

3. Analisis Lengkung Prestasi

Lembaran data menyediakan beberapa perwakilan grafik tingkah laku peranti, yang penting untuk reka bentuk terperinci.

• Ciri-ciri VF-IF:Graf ini menunjukkan hubungan antara voltan hadapan dan arus hadapan pada suhu simpang yang berbeza. Ia digunakan untuk mengira kehilangan konduksi dengan tepat pada pelbagai titik operasi, bukan hanya titik data tunggal yang diberikan dalam jadual. Lengkung biasanya menunjukkan bahawa VF berkurangan sedikit dengan peningkatan suhu untuk arus tertentu (pekali suhu negatif untuk VF pada arus rendah, menjadi positif pada arus tinggi), yang merupakan ciri diod Schottky.
• Ciri-ciri VR-IR:Memplot arus bocor songsang terhadap voltan songsang, biasanya pada pelbagai suhu. Ia membantu pereka memahami kehilangan keadaan mati dan memastikan kebocoran pada voltan dan suhu maksimum aplikasi boleh diterima.
• Ciri-ciri VR-Ct:Menunjukkan bagaimana kapasitans simpang diod (Ct) berbeza dengan voltan songsang (VR). Kapasitans berkurangan apabila voltan songsang meningkat. Graf ini penting untuk memodelkan tingkah laku pensuisan kapasitif dan mengira QC untuk voltan operasi tertentu.
• Ciri-ciri Ip Maksimum – TC:Menggambarkan bagaimana arus hadapan berterusan maksimum yang dibenarkan (Ip) mesti dikurangkan kadarnya apabila suhu kes (TC) meningkat. Ini adalah graf utama untuk reka bentuk terma, menentukan prestasi heatsink yang diperlukan.
• Penyebaran Kuasa vs. TC:Serupa dengan pengurangan kadar arus, ini menunjukkan bagaimana penyebaran kuasa maksimum yang dibenarkan berkurangan apabila suhu kes meningkat.
• Ciri-ciri IFSM – PW:Menerangkan keupayaan arus surge untuk lebar nadi (PW) selain daripada 10ms piawai. Ia membolehkan penilaian kebolehhidupan di bawah pelbagai keadaan sementara.
• Ciri-ciri EC-VR:Memplot tenaga kapasitif tersimpan (EC) terhadap voltan songsang. Tenaga kehilangan pensuisan boleh diperoleh daripada ini (E_sw ≈ EC).
• Galangan Terma Sementara vs. Lebar Nadi:Kritikal untuk menilai kenaikan suhu semasa nadi kuasa pendek. Galangan terma untuk nadi pendek tunggal adalah lebih rendah daripada RθJC keadaan mantap, membolehkan kuasa serta-merta yang lebih tinggi tanpa terlalu panas simpang.

4. Maklumat Mekanikal dan Pakej

4.1 Garis Besar dan Dimensi Pakej

Peranti menggunakan pakej TO-220-2L (dua-pin) piawai industri. Dimensi utama dari lembaran data termasuk:

• Panjang keseluruhan (D): 15.6 mm (typ.)
• Lebar keseluruhan (E): 9.99 mm (typ.)Tinggi keseluruhan (A): 4.5 mm (typ.)
• Jarak pin (e1): 5.08 mm (asas, tetap)
• Jarak lubang pemasangan (E3): 8.70 mm (rujukan)
• Dimensi tab dan butiran bentuk pin disediakan untuk integrasi mekanikal dan reka bentuk tapak kaki PCB.

4.2 Konfigurasi Pin dan Polarity

Pinout ditakrifkan dengan jelas:

• Pin 1:Katod (K).
• Pin 2:Anod (A).
• Kes (Tab Logam):Ini disambungkan secara elektrik kepada Katod (Pin 1). Sambungan ini adalah kritikal untuk keselamatan dan reka bentuk: heatsink akan berada pada potensi katod, jadi ia mesti diasingkan dari bahagian sistem lain (seperti tanah casis) jika mereka berada pada potensi yang berbeza. Kit penebat yang betul (mika/washer, pad silikon) diperlukan.

4.3 Susun Atur Pad PCB yang Disyorkan

Susun atur pad bentuk pin permukaan-pasang dicadangkan untuk reka bentuk PCB. Ini memastikan pembentukan sendi pateri yang betul dan kestabilan mekanikal apabila peranti dipasang pada PCB, biasanya bersama-sama dengan heatsink.

5. Garis Panduan Pateri dan Pemasangan

Walaupun profil reflow khusus tidak diterangkan secara terperinci dalam petikan yang diberikan, garis panduan umum untuk peranti kuasa dalam pakej TO-220 terpakai:

• Pengendalian:Perhatikan langkah berjaga-jaga ESD (Nyahcas Elektrostatik) kerana peranti SiC boleh sensitif.
• Pateri:Untuk pemasangan pin lubang-lalui, teknik pateri gelombang atau pateri tangan piawai boleh digunakan. Suhu badan pakej tidak boleh melebihi suhu penyimpanan maksimum (175°C) untuk tempoh yang panjang. Untuk bentuk pin permukaan-pasang, ikuti profil pateri reflow piawai untuk pemasangan tanpa plumbum (suhu puncak biasanya 245-260°C).
• Pemasangan Heatsink:
  1. Pastikan permukaan pemasangan heatsink dan tab diod bersih, rata, dan bebas daripada burr.
  2. Sapukan lapisan nipis dan sekata bahan antara muka terma (gris terma atau pad) untuk meningkatkan pemindahan haba.
  3. Jika penebatan elektrik diperlukan, gunakan washer penebat (contohnya, mika, poliamida) dan washer bahu untuk skru. Sapukan sebatian terma pada kedua-dua belah penebat.
  4. Kunci diod menggunakan tork pemasangan yang ditentukan (0.8 hingga 8.8 N·m) dengan skru dan nat M3 atau 6-32. Elakkan pengencangan berlebihan, yang boleh memecahkan pakej atau merosakkan benang.
• Penyimpanan:Simpan dalam persekitaran kering, anti-statik dalam julat suhu yang ditentukan (-55°C hingga +175°C).

6. Cadangan Aplikasi

6.1 Litar Aplikasi Biasa

• Diod Boost Pembetulan Faktor Kuasa (PFC):Dalam litar boost PFC mod konduksi berterusan (CCM), QC rendah dan pensuisan pantas diod adalah penting untuk kecekapan tinggi pada frekuensi pensuisan tinggi (contohnya, 65-100 kHz). Ia mengendalikan tekanan voltan tinggi apabila suis utama dihidupkan.
• Peringkat Keluaran Mikroinverter Solar:Digunakan dalam jambatan penyongsang frekuensi tinggi atau sebagai diod roda bebas. Keupayaan suhu tinggi sesuai dengan keadaan persekitaran yang mencabar untuk aplikasi solar.
• Penyongsang/Penukar Bekalan Kuasa Tanpa Gangguan (UPS):Berfungsi sebagai diod roda bebas atau pengapit dalam peringkat penyongsang DC-AC atau penukar DC-DC, meningkatkan kecekapan sistem keseluruhan.
• Diod Pengapit/Flyback Bas DC Pemacu Motor:Melindungi IGBT atau MOSFET daripada lonjakan voltan dengan mengapit tenaga induktif dari belitan motor.

6.2 Pertimbangan Reka Bentuk Kritikal

• Litar Snubber:Disebabkan pensuisan yang sangat pantas dan QC rendah, induktansi parasit dalam litar boleh menyebabkan overshoot voltan yang ketara (L*di/dt). Susun atur PCB yang teliti untuk meminimumkan kawasan gelung adalah penting. Snubber RC merentasi diod mungkin diperlukan untuk meredam deringan.
• Reka Bentuk Terma:Kira jumlah kehilangan kuasa (P_konduksi = VF_purata * IF_purata, P_pensuisan ≈ 0.5 * QC * V * f_sw). Gunakan suhu simpang maksimum (Tj_max=175°C), rintangan terma RθJC, dan anggaran rintangan terma heatsink (RθSA) untuk memastikan Tj kekal dalam margin selamat (contohnya, 150°C atau lebih rendah).
• Operasi Selari:Lembaran data menyatakan peranti boleh diselarikan tanpa lari terma. Ini disebabkan oleh pekali suhu positif voltan hadapan pada arus tinggi, yang menggalakkan perkongsian arus. Walau bagaimanapun, untuk perkongsian optimum, pastikan susun atur simetri dan gunakan perintang get individu jika memacu suis berkaitan.
• Pengurangan Kadar Voltan:Untuk kebolehpercayaan jangka panjang yang lebih baik, terutamanya dalam aplikasi suhu tinggi atau kebolehpercayaan tinggi, pertimbangkan untuk mengurangkan kadar voltan songsang operasi (contohnya, gunakan diod 650V untuk bas 400V, bukan bas 480V).

7. Perbandingan dan Kelebihan Teknikal

Berbanding dengan diod pemulihan pantas silikon piawai (FRD) atau diod pemulihan ultra pantas (UFRD), EL-SAF01 665JA menawarkan kelebihan yang berbeza:

• Cas Pemulihan Songsang Sifar Secara Asasnya (Qrr):Diod silikon mempunyai Qrr yang ketara disebabkan penyimpanan pembawa minoriti, menyebabkan lonjakan arus dan kehilangan yang besar semasa pemadaman. Diod Schottky SiC adalah peranti pembawa majoriti, jadi Qrr boleh diabaikan. Kehilangan pensuisan adalah semata-mata kapasitif (QC), yang jauh lebih rendah daripada kehilangan berasaskan Qrr.
• Suhu Operasi Lebih Tinggi:Jalur lebar lebar Silikon Karbida membolehkan suhu simpang maksimum 175°C, berbanding 150°C atau 125°C untuk banyak diod silikon, membolehkan operasi dalam persekitaran yang lebih panas atau dengan heatsink yang lebih kecil.
• Keupayaan Frekuensi Pensuisan Lebih Tinggi:Gabungan QC rendah dan tiada Qrr membolehkan operasi cekap pada frekuensi jauh melebihi 100 kHz, membolehkan komponen magnetik (induktor, transformer) menjadi jauh lebih kecil.
• Voltan Hadapan Lebih Rendah pada Suhu Tinggi:Walaupun VF pada suhu bilik mungkin setanding dengan Schottky silikon, VF Schottky SiC meningkat kurang dengan suhu, membawa kepada prestasi konduksi suhu tinggi yang lebih baik.

8. Soalan Lazim (FAQ)

8.1 Berdasarkan Parameter Teknikal

Q: QC ialah 22nC. Bagaimana saya mengira kehilangan pensuisan?

A: Tenaga yang hilang setiap kitaran pensuisan adalah lebih kurang E_sw ≈ 0.5 * QC * V, di mana V ialah voltan songsang yang dimatikannya. Sebagai contoh, pada 400V, E_sw ≈ 0.5 * 22nC * 400V = 4.4µJ. Darab dengan frekuensi pensuisan (f_sw) untuk mendapatkan kehilangan kuasa: P_sw = E_sw * f_sw. Pada 100 kHz, P_sw ≈ 0.44W.

Q: Mengapakah kes disambungkan kepada katod? Adakah penebatan sentiasa diperlukan?

A: Die dalaman dipasang pada substrat yang disambungkan secara elektrik kepada tab katod atas sebab terma dan mekanikal. Penebatan diperlukan jika heatsink (atau casis yang dipasang padanya) berada pada potensi yang berbeza daripada katod dalam litar anda. Jika katod berada pada potensi tanah dan heatsink juga dibumikan, penebatan mungkin tidak diperlukan, tetapi ia sering digunakan sebagai amalan terbaik keselamatan.

Q: Bolehkah saya menggunakan diod ini secara langsung sebagai pengganti untuk diod silikon dalam litar sedia ada saya?

A: Tidak secara langsung tanpa semakan. Walaupun kadar voltan dan arus mungkin sepadan, pensuisan yang sangat pantas boleh menyebabkan overshoot voltan dan EMI yang teruk disebabkan parasit litar yang tidak bermasalah dengan diod silikon yang lebih perlahan. Susun atur PCB dan reka bentuk snubber mesti dinilai semula.

9. Kes Reka Bentuk dan Penggunaan Praktikal

Kajian Kes: Peringkat PFC PSU Pelayan 2kW Ketumpatan Tinggi.Seorang pereka menggantikan diod ultra pantas silikon 600V/15A dalam boost PFC CCM 80kHz dengan EL-SAF01. Diod silikon mempunyai Qrr=45nC dan Vf=1.7V. Pengiraan menunjukkan diod SiC mengurangkan kehilangan pensuisan sebanyak ~60% (dari 1.44W kepada 0.58W setiap diod) dan sedikit meningkatkan kehilangan konduksi. Penjimatan 0.86W setiap diod ini membolehkan frekuensi pensuisan ditingkatkan kepada 140kHz untuk mengecilkan saiz induktor boost sebanyak ~40%, memenuhi peningkatan ketumpatan kuasa sasaran. Heatsink sedia ada kekal mencukupi disebabkan jumlah kehilangan yang lebih rendah.

Kajian Kes: Jambatan-H Mikroinverter Solar.Dalam mikroinverter 300W, empat diod EL-SAF01 digunakan sebagai diod roda bebas untuk MOSFET jambatan-H. Kadar suhu tinggi mereka (175°C) memastikan kebolehpercayaan dalam persekitaran bumbung di mana suhu kandungan boleh melebihi 70°C. QC rendah meminimumkan kehilangan pada frekuensi pensuisan tinggi (contohnya, asas 16kHz dengan PWM frekuensi tinggi), menyumbang kepada kecekapan penukaran keseluruhan yang lebih tinggi (>96%) yang kritikal untuk penuaian tenaga solar.

10. Prinsip Operasi

Diod Schottky dibentuk oleh simpang logam-semikonduktor, tidak seperti diod simpang PN piawai. EL-SAF01 menggunakan Silikon Karbida (SiC) sebagai semikonduktor. Halangan Schottky yang terbentuk di antara muka logam-SiC membolehkan konduksi pembawa majoriti (elektron) sahaja. Apabila dipincang hadapan, elektron disuntik dari semikonduktor ke dalam logam, membolehkan aliran arus dengan penurunan voltan hadapan yang agak rendah (biasanya 0.7-1.8V). Apabila dipincang songsang, halangan Schottky menghalang aliran arus. Perbezaan utama dari diod PN adalah ketiadaan suntikan dan penyimpanan pembawa minoriti. Ini bermakna tiada kapasitans resapan yang berkaitan dengan cas tersimpan dalam kawasan hanyut, membawa kepada ciri "pemulihan songsang sifar". Satu-satunya kapasitans ialah kapasitans lapisan susutan simpang, yang bergantung pada voltan dan menghasilkan QC yang boleh diukur. Jalur lebar lebar Silikon Karbida (≈3.26 eV untuk 4H-SiC) menyediakan kekuatan medan pecahan tinggi yang membolehkan kadar 650V dalam saiz die yang agak kecil, dan kekonduksian terma tingginya membantu dalam penyebaran haba.

11. Trend Teknologi

Peranti kuasa Silikon Karbida, termasuk diod Schottky dan MOSFET, mewakili trend penting dalam elektronik kuasa ke arah kecekapan, frekuensi, dan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi. Pasaran bergerak dari peranti 600-650V (bersaing dengan MOSFET silikon superjunction dan IGBT) ke kelas voltan lebih tinggi seperti 1200V dan 1700V untuk pemacu motor industri dan penyongsang tarikan kenderaan elektrik. Serentak, terdapat trend ke arah kos per amp yang lebih rendah apabila saiz wafer meningkat (dari 4-inci ke 6-inci dan kini 8-inci) dan hasil pembuatan bertambah baik. Integrasi adalah trend lain, dengan kemunculan modul yang menggabungkan MOSFET SiC dan diod Schottky. Tambahan pula, penyelidikan berterusan ke dalam memperbaiki antara muka halangan Schottky untuk mengurangkan penurunan voltan hadapan lebih lanjut dan meningkatkan kebolehpercayaan. Penggunaan SiC didorong secara global oleh piawaian kecekapan tenaga dan pengelektrikan sistem pengangkutan dan tenaga boleh diperbaharui.