Dokumen Teknikal - Diod Schottky SiC 650V Pakej TO-247-2L (16.26x20.0x4.7mm) - Voltan 650V - Arus 8A

1. Gambaran Keseluruhan Produk

Dokumen ini memperincikan spesifikasi untuk Diod Halangan Schottky (SBD) Silikon Karbida (SiC) berprestasi tinggi yang dibungkus dalam pakej TO-247-2L. Peranti ini direka untuk memberikan kecekapan dan kebolehpercayaan yang unggul dalam aplikasi penukaran kuasa yang mencabar. Fungsi terasnya adalah untuk menyediakan aliran arus sehala dengan kehilangan pensuisan dan cas pemulihan songsang yang minimum, iaitu satu kelebihan ketara berbanding diod berasaskan silikon tradisional.

Kedudukan utama diod ini adalah dalam sistem kuasa moden, berfrekuensi tinggi, dan berkecekapan tinggi. Kelebihan terasnya berasal daripada sifat bahan semula jadi Silikon Karbida, yang membolehkan operasi pada suhu, voltan, dan frekuensi pensuisan yang lebih tinggi berbanding silikon. Pasaran sasaran adalah pelbagai, merangkumi industri di mana kecekapan tenaga, ketumpatan kuasa, dan pengurusan haba adalah kritikal. Ini termasuk pemacu motor industri, sistem tenaga boleh diperbaharui seperti penyongsang solar, bekalan kuasa pusat data, dan bekalan kuasa tanpa gangguan (UPS).

2. Analisis Parameter Teknikal Mendalam

2.1 Ciri-ciri Elektrik

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

• Voltan Songsang Puncak Berulang (VRRM):650V. Ini adalah voltan songsang serta-merta maksimum yang boleh digunakan secara berulang. Ia menentukan kadar voltan peranti dan adalah penting untuk memilih diod untuk voltan bas tertentu, biasanya dengan margin keselamatan.
• Arus Hadapan Berterusan (IF):8A. Ini adalah arus hadapan purata maksimum yang boleh dihantar oleh diod secara berterusan, dihadkan oleh suhu simpang maksimum dan rintangan haba. Nilai 8A dinyatakan pada suhu kes (TC) 25°C. Dalam aplikasi sebenar, penurunan kadar berdasarkan suhu operasi sebenar adalah perlu.
• Voltan Hadapan (VF):Biasanya 1.5V pada 8A dan suhu simpang (TJ) 25°C, dengan maksimum 1.85V. Parameter ini adalah kritikal untuk mengira kehilangan konduksi (P_konduksi = VF * IF). VF rendah adalah manfaat utama teknologi Schottky SiC, secara langsung menyumbang kepada kecekapan sistem yang lebih tinggi. Perhatikan bahawa VF mempunyai pekali suhu negatif, bermakna ia berkurangan sedikit apabila suhu meningkat, yang membantu mencegah pelarian haba dalam konfigurasi selari.
• Arus Songsang (IR):Biasanya 2µA pada 520V dan TJ 25°C. Ini adalah arus bocor apabila diod berada dalam keadaan bias songsang. Arus bocor rendah meminimumkan kehilangan kuasa keadaan mati.
• Cas Kapasitif Jumlah (QC):12 nC (tipikal) pada VR=400V. Ini adalah parameter kritikal untuk pensuisan frekuensi tinggi. QC mewakili cas yang berkaitan dengan kapasitans simpang diod yang mesti dipindahkan semasa setiap kitaran pensuisan. Nilai QC yang rendah secara langsung diterjemahkan kepada kehilangan pensuisan yang lebih rendah, membolehkan operasi frekuensi yang lebih tinggi.
• Arus Hadapan Lonjakan Tidak Berulang (IFSM):29A. Ini adalah arus puncak tidak berulang maksimum yang dibenarkan untuk jangka masa pendek (10ms, gelombang separuh sinus). Ia menunjukkan keupayaan peranti untuk menahan arus lonjakan atau arus kerosakan, seperti yang ditemui semasa permulaan atau transien beban.

2.2 Ciri-ciri Terma

Pengurusan haba adalah penting untuk kebolehpercayaan dan prestasi.

• Suhu Simpang Maksimum (TJ,maks):175°C. Ini adalah suhu maksimum mutlak yang boleh ditahan oleh simpang semikonduktor. Operasi berterusan pada atau berhampiran had ini akan mengurangkan jangka hayat peranti dengan ketara.
• Rintangan Haba, Simpang-ke-Kes (RθJC):1.9 °C/W (tipikal). Parameter ini mengukur impedans haba antara die semikonduktor (simpang) dan kes luar pakej. Nilai yang lebih rendah menunjukkan pemindahan haba yang lebih baik dari die ke penyejuk haba. Kenaikan suhu simpang jumlah boleh dikira sebagai ΔTJ = PD * RθJC, di mana PD adalah kuasa yang diserakkan dalam diod.
• Penyerakan Kuasa Jumlah (PD):42W pada TC=25°C. Ini adalah kuasa maksimum yang boleh diserakkan oleh peranti di bawah keadaan ujian yang ditentukan. Dalam praktiknya, penyerakan yang dibenarkan berkurangan apabila suhu kes meningkat.

3. Analisis Lengkung Prestasi

Dokumen data teknikal menyediakan beberapa lengkung ciri yang penting untuk reka bentuk dan analisis.

3.1 Ciri-ciri VF-IF

Graf ini memplot voltan hadapan (VF) terhadap arus hadapan (IF). Ia menunjukkan hubungan tidak linear, biasanya bermula dengan voltan lutut dan kemudian meningkat secara linear. Pereka bentuk menggunakan lengkung ini untuk menentukan kehilangan konduksi dengan tepat pada arus operasi tertentu, yang lebih tepat daripada menggunakan nilai VF tipikal tunggal.

3.2 Ciri-ciri VR-IR

Lengkung ini menggambarkan arus bocor songsang (IR) sebagai fungsi voltan songsang yang dikenakan (VR). Ia menunjukkan bagaimana arus bocor meningkat dengan kedua-dua voltan songsang dan suhu simpang. Ini adalah penting untuk menganggarkan kehilangan keadaan mati, terutamanya dalam aplikasi voltan tinggi.

3.3 Ciri-ciri VR-Ct

Graf ini menunjukkan kapasitans jumlah (Ct) diod berbanding voltan songsang (VR). Kapasitans simpang adalah sangat tidak linear, berkurangan dengan ketara apabila voltan songsang meningkat (dari 208 pF pada 1V kepada 18 pF pada 400V). Kapasitans tidak linear ini adalah faktor utama dalam mengira tingkah laku pensuisan dan parameter QC.

3.4 Arus Hadapan Maksimum vs. Suhu Kes

Lengkung penurunan kadar ini menunjukkan bagaimana arus hadapan berterusan maksimum yang dibenarkan (IF) berkurangan apabila suhu kes (TC) meningkat. Ia adalah panduan asas untuk reka bentuk penyejuk haba, memastikan suhu simpang tidak melebihi kadar maksimumnya di bawah semua keadaan operasi.

3.5 Impedans Haba Sementara

Lengkung ini memplot rintangan haba sementara (ZθJC) terhadap lebar denyut. Ia adalah penting untuk menilai kenaikan suhu simpang semasa denyut kuasa jangka pendek, seperti yang berlaku semasa peristiwa pensuisan atau keadaan lonjakan. Jisim haba pakej menyebabkan rintangan haba berkesan menjadi lebih rendah untuk denyut yang sangat pendek.

4. Maklumat Mekanikal dan Pakej

4.1 Garis Besar dan Dimensi Pakej

Peranti menggunakan pakej TO-247-2L piawai industri. Dimensi utama dari lukisan garis besar termasuk panjang pakej keseluruhan kira-kira 20.0 mm, lebar 16.26 mm, dan ketinggian 4.7 mm (tidak termasuk kaki). Kaki mempunyai ketebalan dan jarak tertentu untuk memastikan keserasian dengan susun atur PCB piawai dan lubang pemasangan penyejuk haba.

4.2 Konfigurasi Pin dan Pengenalpastian Polarity

Pakej TO-247-2L mempunyai dua kaki. Pin 1 dikenal pasti sebagai Katod (K), dan Pin 2 adalah Anod (A). Penting untuk diperhatikan, tab atau kes logam pakej disambungkan secara elektrik kepada Katod. Ini mesti dipertimbangkan dengan teliti semasa pemasangan untuk memastikan pengasingan elektrik yang betul jika penyejuk haba tidak berada pada potensi katod. Corak pendaratan PCB yang disyorkan (susun atur pad) disediakan untuk memastikan pematerian dan prestasi haba yang boleh dipercayai apabila menggunakan bentuk kaki pemasangan permukaan.

5. Garis Panduan Pemasangan dan Pemasangan

Pemasangan yang betul adalah kritikal untuk prestasi dan kebolehpercayaan.

• Tork Pemasangan:Tork pemasangan yang disyorkan untuk skru pengikat (M3 atau 6-32) adalah 8.8 N·cm (atau 8.8 lbf-in). Menggunakan tork yang betul memastikan sentuhan haba optimum antara kes pakej dan penyejuk haba tanpa merosakkan pakej.
• Bahan Antara Muka Haba (TIM):Gris haba atau pad yang sesuai mesti sentiasa digunakan antara kes diod dan penyejuk haba untuk mengisi jurang udara mikroskopik dan meminimumkan rintangan haba.
• Pengasingan Elektrik:Memandangkan kes disambungkan kepada katod, pad penebat elektrik tetapi konduktif haba (contohnya, mika, getah silikon dengan pengisi seramik) diperlukan jika penyejuk haba berada pada potensi yang berbeza. Kadar voltan pengasingan pad ini mesti melebihi voltan operasi sistem.
• Keadaan Penyimpanan:Peranti harus disimpan dalam julat suhu -55°C hingga +175°C dalam persekitaran kering dan tidak menghakis.

6. Cadangan Aplikasi

6.1 Litar Aplikasi Tipikal

Diod Schottky SiC ini sangat sesuai untuk beberapa litar elektronik kuasa utama:

• Pembetulan Faktor Kuasa (PFC):Digunakan dalam peringkat penukar boost bekalan kuasa mod pensuisan (SMPS). Pensuisan pantas dan QC rendahnya mengurangkan kehilangan pensuisan pada frekuensi tinggi (selalunya 65kHz hingga 150kHz), meningkatkan kecekapan peringkat PFC.
• Peringkat DC-AC Penyongsang Solar:Digunakan dalam jambatan penyongsang atau sebagai diod roda bebas. Kadar voltan tinggi dan kecekapan menyumbang kepada kecekapan penyongsang keseluruhan yang lebih tinggi, yang kritikal untuk hasil tenaga solar.
• Bekalan Kuasa Tanpa Gangguan (UPS):Digunakan dalam kedua-dua bahagian penerus/pengecas dan penyongsang. Keupayaan lonjakan tinggi (IFSM) membantu mengendalikan arus pengecasan bateri dan transien beban keluaran.
• Penyongsang Pemacu Motor:Bertindak sebagai diod roda bebas merentasi Transistor Dwikutub Pintu Terpencil (IGBT) atau MOSFET dalam jambatan keluaran. Ketiadaan cas pemulihan songsang menghapuskan kehilangan pemulihan songsang dan lonjakan voltan berkaitan, membolehkan pensuisan yang lebih lancar dan mengurangkan gangguan elektromagnet (EMI).

6.2 Pertimbangan Reka Bentuk

• Litar Snubber:Disebabkan oleh pensuisan yang sangat pantas dan pada dasarnya tiada pemulihan songsang, litar snubber untuk mengawal di/dt atau dv/dt mungkin dipermudahkan atau tidak diperlukan berbanding diod simpang PN silikon. Walau bagaimanapun, induktans parasit yang disebabkan oleh susun atur masih boleh menyebabkan lonjakan voltan dan mesti diminimumkan dengan susun atur PCB yang ketat.
• Operasi Selari:Pekali suhu negatif VF menjadikan diod ini secara semula jadi sesuai untuk operasi selari untuk meningkatkan pengendalian arus. Apabila satu diod menjadi panas, VFnya berkurangan, menyebabkan ia berkongsi lebih banyak arus, yang menggalakkan pengimbangan arus dan bukannya pelarian haba. Walau bagaimanapun, perhatian yang teliti kepada susun atur simetri dan gandingan haba masih disyorkan.
• Saiz Penyejuk Haba:Gunakan penyerakan kuasa (dikira dari VF dan IR), RθJC, dan lengkung penurunan kadar untuk menentukan saiz penyejuk haba dengan tepat. Matlamatnya adalah untuk mengekalkan suhu simpang jauh di bawah 175°C (contohnya, 125-150°C) untuk kebolehpercayaan jangka panjang.

7. Perbandingan Teknikal dan Kelebihan

Berbanding dengan diod pemulihan pantas (FRD) silikon piawai atau diod PN silikon, diod Schottky SiC ini menawarkan kelebihan yang berbeza:

• Pada Dasarnya Tiada Pemulihan Songsang:Halangan Schottky adalah peranti pembawa majoriti, tidak seperti simpang PN yang merupakan peranti pembawa minoriti. Ini menghapuskan cas tersimpan dan masa pemulihan songsang (trr) dan arus (Irr) yang berkaitan. Ini adalah kelebihan paling ketara, membawa kepada kehilangan pensuisan yang jauh lebih rendah.
• Suhu Operasi Lebih Tinggi:Jalur lebar Silikon Karbida yang lebih luas membolehkan suhu simpang maksimum yang lebih tinggi (175°C berbanding biasanya 150°C untuk silikon), menawarkan margin reka bentuk yang lebih banyak atau membolehkan penyejuk haba yang lebih kecil.
• Frekuensi Pensuisan Lebih Tinggi:Gabungan QC rendah dan tiada pemulihan songsang membolehkan operasi cekap pada frekuensi yang jauh lebih tinggi. Ini membolehkan penggunaan komponen pasif yang lebih kecil (induktor, kapasitor, transformer), meningkatkan ketumpatan kuasa.
• Penurunan Voltan Hadapan Lebih Rendah:Pada arus operasi tipikal, diod Schottky SiC sering mempunyai VF yang setanding atau lebih rendah daripada FRD silikon voltan tinggi, mengurangkan kehilangan konduksi.
• Pertukaran:Pertukaran sejarah utama adalah kos, walaupun harga peranti SiC telah menurun dengan ketara. Juga, arus bocor songsang diod Schottky secara amnya lebih tinggi daripada diod PN dan meningkat dengan lebih mendadak dengan suhu, yang boleh menjadi pertimbangan dalam aplikasi suhu sangat tinggi.

8. Soalan Lazim (FAQ)

Q1: Apakah maksud \"pada dasarnya tiada kehilangan pensuisan\" dalam praktik?

A1: Ia bermakna mekanisme kehilangan pensuisan dominan dalam diod—kehilangan pemulihan songsang—adalah boleh diabaikan. Walau bagaimanapun, kehilangan masih berlaku disebabkan oleh pengecasan dan nyahcas kapasitans simpang (berkaitan dengan QC). Kehilangan kapasitif ini biasanya jauh lebih kecil daripada kehilangan pemulihan songsang diod silikon, terutamanya pada frekuensi tinggi.

Q2: Bagaimana saya memilih penyejuk haba untuk diod ini?

A2: Pertama, kira penyerakan kuasa kes terburuk: PD = (VF * IF_purata) + (VR * IR_purata). Gunakan nilai VF dan IR pada suhu simpang operasi yang dijangkakan. Kemudian, tentukan sasaran suhu simpang maksimum anda (contohnya, 140°C). Rintangan haba yang diperlukan untuk penyejuk haba (RθSA) boleh didapati dari: RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS, di mana TA adalah suhu ambien dan RθCS adalah rintangan haba bahan antara muka.

Q3: Bolehkah saya menggunakan diod ini secara langsung sebagai pengganti untuk diod silikon dalam litar sedia ada saya?

A3: Tidak selalu tanpa semakan. Walaupun susunan pin dan pakej mungkin serasi, pensuisan yang lebih pantas boleh menyebabkan lonjakan voltan yang lebih tinggi disebabkan oleh induktans parasit litar. Pemacu pintu atau kawalan untuk transistor pensuisan berkaitan mungkin memerlukan pelarasan. Voltan hadapan yang lebih rendah juga mungkin sedikit mengubah tingkah laku litar. Semakan reka bentuk menyeluruh adalah disyorkan.

Q4: Mengapakah kes disambungkan kepada katod?

A4: Ini adalah biasa dalam pakej kuasa. Ia membolehkan tab logam besar, yang sangat baik untuk pemindahan haba, digunakan sebagai sambungan elektrik. Ini mengurangkan induktans parasit dalam laluan katod, yang bermanfaat untuk pensuisan berkelajuan tinggi. Ia memerlukan pengasingan yang teliti jika penyejuk haba tidak berada pada potensi katod.

9. Kajian Kes Reka Bentuk Praktikal

Senario: Mereka bentuk Peringkat Boost PFC 1.5kW.

Andaikan julat voltan masukan 85-265VAC, voltan keluaran 400VDC, dan frekuensi pensuisan 100kHz. Diod boost mesti menyekat 400V dan membawa arus induktor. Pengiraan menunjukkan arus puncak sekitar 10A dan arus diod purata kira-kira 4A.



Diod ultrafast silikon dengan trr 50ns dan QC 30nC akan menanggung kehilangan pemulihan songsang yang ketara pada 100kHz. Dengan memilih diod Schottky SiC ini (QC=12nC, tiada trr), kehilangan pensuisan dalam diod dikurangkan kepada hanya kehilangan kapasitif. Ini secara langsung meningkatkan kecekapan sebanyak 0.5-1.5%, mengurangkan penjanaan haba, dan mungkin membolehkan penyejuk haba yang lebih kecil atau membolehkan operasi pada suhu ambien yang lebih tinggi. Reka bentuk juga mendapat manfaat daripada pengurangan EMI disebabkan oleh ketiadaan lonjakan arus pemulihan songsang.

10. Prinsip Operasi

Diod Schottky dibentuk oleh simpang logam-semikonduktor, tidak seperti diod simpang PN piawai yang menggunakan simpang semikonduktor-semikonduktor. Dalam diod Schottky SiC, logam (contohnya, Titanium) didepositkan pada Silikon Karbida. Ini mencipta halangan Schottky yang membolehkan arus mengalir bebas dalam arah hadapan apabila voltan kecil dikenakan (VF rendah). Dalam arah songsang, halangan menyekat aliran arus. Kerana konduksi hanya bergantung pada pembawa majoriti (elektron dalam substrat SiC jenis-N), tiada suntikan dan penyimpanan pembawa minoriti. Akibatnya, apabila voltan berbalik, tiada cas tersimpan yang perlu dikeluarkan, menghasilkan ciri mati hampir serta-merta dan ketiadaan pemulihan songsang.

11. Trend Teknologi

Peranti kuasa Silikon Karbida, termasuk diod Schottky dan MOSFET, mewakili trend utama dalam elektronik kuasa ke arah kecekapan, frekuensi, dan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi. Pasaran sedang bergerak dari peranti 600-650V (bersaing dengan MOSFET Superjunction silikon dan IGBT) kepada kadar 1200V dan 1700V untuk aplikasi industri dan automotif. Integrasi diod SiC dengan MOSFET SiC dalam modul menjadi biasa untuk peringkat kuasa berprestasi tinggi lengkap. Penambahbaikan berterusan dalam kualiti bahan SiC dan proses fabrikasi menurunkan kos dan meningkatkan kebolehpercayaan peranti, menjadikan teknologi SiC pilihan utama untuk reka bentuk baharu dalam aplikasi kuasa sederhana dan tinggi di mana prestasi adalah kritikal.