Dokumen Teknikal - Spesifikasi Diode SiC Schottky TO-247-2L 650V, 6A, 1.5V

1. Gambaran Keseluruhan Produk

Dokumen ini memperincikan spesifikasi untuk Diode Halangan Schottky Silikon Karbida (SiC) berprestasi tinggi yang ditempatkan dalam pakej TO-247-2L. Peranti ini direka untuk aplikasi penukaran kuasa yang memerlukan kecekapan tinggi, operasi frekuensi tinggi, dan prestasi terma yang teguh. Fungsi terasnya adalah untuk menyediakan aliran arus sehala dengan kehilangan pensuisan dan cas pemulihan songsang yang minimum, satu kelebihan ketara berbanding diode simpang-PN silikon tradisional.

1.1 Kelebihan Teras dan Sasaran Pasaran

Kelebihan utama diode SiC Schottky ini berpunca daripada sifat bahan Silikon Karbida. Faedah utama termasuk penurunan voltan hadapan (VF) yang rendah, yang mengurangkan kehilangan konduksi, dan keupayaan pensuisan yang sememangnya pantas dengan cas pemulihan songsang (Qc) yang hampir tiada. Ini membolehkan operasi pada frekuensi yang lebih tinggi, membawa kepada komponen pasif (induktor, kapasitor) yang lebih kecil dan pengurangan saiz sistem keseluruhan. Suhu simpang maksimum (TJ,maks) yang tinggi iaitu 175°C membolehkan operasi dalam persekitaran terma yang mencabar atau membenarkan penggunaan penyejuk haba yang lebih kecil. Ciri-ciri ini menjadikannya sesuai untuk bekalan kuasa moden berketumpatan tinggi. Sasaran aplikasi ditakrifkan dengan jelas sebagai litar Pembetulan Faktor Kuasa (PFC) dalam Bekalan Kuasa Mod Suis (SMPS), penyongsang solar, Bekalan Kuasa Tidak Terputus (UPS), pemacu motor, dan infrastruktur kuasa pusat data, di mana kecekapan dan ketumpatan kuasa adalah parameter kritikal.

2. Analisis Parameter Teknikal Mendalam

Lembaran data menyediakan penarafan elektrik dan terma yang komprehensif yang penting untuk reka bentuk litar yang boleh dipercayai. Memahami parameter ini adalah penting untuk memastikan peranti beroperasi dalam kawasan operasi selamatnya (SOA).

2.1 Had Maksimum Mutlak

Penarafan ini mentakrifkan had tekanan di mana kerosakan kekal pada peranti mungkin berlaku. Ia tidak bertujuan untuk operasi biasa. Penarafan utama termasuk: Voltan Songsang Puncak Berulang (VRRM) dan Voltan Sekatan AT (VR) 650V, mentakrifkan bias songsang maksimum yang dibenarkan. Arus Hadapan Berterusan (IF) dinilai pada 6A, dihadkan oleh suhu simpang maksimum dan rintangan terma. Parameter penting ialah arus lonjakan tidak berulang (IFSM) 24A untuk gelombang separa sinus 10ms, menunjukkan keteguhan terhadap beban lampau jangka pendek. Suhu simpang maksimum (TJ) ialah 175°C, dan pembebasan kuasa jumlah (PD) ditetapkan sebagai 71W pada suhu kes (TC) 25°C, walaupun ini sangat bergantung pada pengurusan terma.

2.2 Ciri-ciri Elektrik

Bahagian ini memperincikan nilai prestasi tipikal dan maksimum di bawah keadaan ujian yang ditetapkan. Voltan hadapan (VF) adalah parameter kritikal untuk pengiraan kehilangan konduksi; ia biasanya 1.5V pada 6A dan 25°C, meningkat kepada maksimum 1.9V pada suhu simpang tinggi 175°C. Arus bocor songsang (IR) adalah sangat rendah, biasanya 0.8µA pada 520V dan 25°C, menunjukkan keupayaan sekatan yang sangat baik bagi simpang Schottky SiC. Mungkin ciri yang paling menentukan ialah cas kapasitif jumlah (QC), ditetapkan sebagai 10nC pada 400V. Nilai yang sangat rendah ini mengesahkan tingkah laku pemulihan songsang hampir sifar, yang merupakan sumber prestasi pensuisan laju tinggi dan kehilangan pensuisan rendah diode. Tenaga tersimpan kapasitans (EC) adalah rendah secara sepadan pada 1.5µJ.

2.3 Ciri-ciri Terma

Pengurusan terma yang berkesan adalah penting untuk kebolehpercayaan. Parameter utama di sini ialah Rintangan Terma dari Simpang ke Kes (Rth(JC)), dengan nilai tipikal 2.1°C/W. Nilai rendah ini menunjukkan pemindahan haba yang cekap dari die semikonduktor ke kes peranti, yang kemudiannya mesti dilesapkan melalui penyejuk haba. Nilai rintangan terma digunakan bersama-sama dengan pembebasan kuasa dan suhu ambien/kes untuk mengira suhu simpang sebenar menggunakan formula: TJ = TC + (PD * Rth(JC)). Memastikan TJ kekal di bawah 175°C adalah penting untuk kebolehpercayaan jangka panjang.

3. Analisis Keluk Prestasi

Data grafik memberikan pandangan tentang tingkah laku peranti di bawah pelbagai keadaan operasi, melengkapkan data jadual.

3.1 Ciri-ciri VF-IF

Keluk voltan hadapan berbanding arus hadapan menggambarkan tingkah laku konduksi diode. Ia biasanya menunjukkan hubungan eksponen pada arus yang sangat rendah, beralih kepada hubungan yang lebih linear yang didominasi oleh rintangan siri pada arus yang lebih tinggi seperti 6A yang dinilai. Pekali suhu positif VF (ia meningkat dengan suhu) adalah sifat yang bermanfaat untuk operasi selari, kerana ia menggalakkan perkongsian arus dan menghalang pelarian terma.

3.2 Arus Hadapan Maksimum lwn Suhu Kes

Keluk penurunan nilai ini menunjukkan bagaimana arus hadapan berterusan maksimum yang dibenarkan (IF) berkurangan apabila suhu kes (TC) meningkat. Pereka bentuk mesti menggunakan graf ini untuk menentukan arus operasi selamat untuk persekitaran terma khusus mereka. Pada suhu kes maksimum (yang akan lebih rendah daripada TJ,maks), arus yang dibenarkan mungkin jauh kurang daripada 6A yang dinilai pada 25°C.

3.3 Galangan Terma Sementara

Keluk rintangan terma sementara berbanding lebar denyut adalah penting untuk menilai prestasi terma di bawah keadaan beban denyut, biasa dalam aplikasi pensuisan. Ia menunjukkan bahawa untuk denyut yang sangat pendek, rintangan terma berkesan dari simpang ke kes adalah lebih rendah daripada Rth(JC) keadaan mantap, bermakna kenaikan suhu simpang untuk satu denyut pendek adalah kurang daripada pembebasan berterusan kuasa yang sama. Data ini digunakan untuk analisis kehilangan dalam penukar pensuisan.

4. Maklumat Mekanikal dan Pakej

4.1 Konfigurasi Pin dan Kekutuban

Peranti menggunakan pakej TO-247-2L dengan dua pendawaian. Pin 1 dikenal pasti sebagai Katod (K), dan Pin 2 adalah Anod (A). Yang penting, tab logam atau kes pakej juga disambungkan ke Katod. Ini mesti dipertimbangkan dengan teliti semasa pemasangan, kerana tab biasanya memerlukan pengasingan elektrik dari penyejuk haba (menggunakan mesin basuh penebat) melainkan penyejuk haba berada pada potensi katod.

4.2 Dimensi Pakej dan Pemasangan

Lembaran data termasuk lukisan mekanikal terperinci dengan dimensi dalam milimeter untuk pakej TO-247-2L. Ia juga menyediakan susun atur pad yang disyorkan untuk bentuk pendawaian pemasangan permukaan, yang berguna untuk reka bentuk PCB jika pendawaian dibentuk untuk pemasangan permukaan. Tork pemasangan maksimum untuk skru yang digunakan untuk memasang peranti ke penyejuk haba ditetapkan sebagai 8.8 Nm (atau setara dalam lbf-in) untuk skru M3 atau 6-32. Menggunakan tork yang betul adalah kritikal untuk memastikan sentuhan terma yang baik tanpa merosakkan pakej.

5. Garis Panduan Aplikasi dan Pertimbangan Reka Bentuk

5.1 Litar Aplikasi Biasa

Aplikasi utama yang diketengahkan ialah Pembetulan Faktor Kuasa (PFC), terutamanya dalam topologi penukar peningkatan. Dalam litar peningkatan PFC, diode membawa arus induktor apabila suis utama dimatikan. Pensuisan pantas dan Qc rendah diode SiC ini meminimumkan kehilangan pemadaman yang berkaitan dengan pemulihan songsang, membolehkan frekuensi pensuisan yang lebih tinggi. Ini membawa kepada komponen magnetik (induktor peningkatan) yang lebih kecil dan ketumpatan kuasa yang dipertingkatkan. Aplikasi lain seperti penyongsang solar dan sistem UPS mendapat manfaat yang sama dalam peringkat penyambungan AT atau penerusan keluaran mereka.

5.2 Reka Bentuk Terma dan Pelesapan Haba

Tugas reka bentuk kritikal ialah memilih penyejuk haba yang sesuai. Proses ini melibatkan: 1) Mengira jumlah pembebasan kuasa dalam diode (kehilangan konduksi + kehilangan pensuisan, walaupun kehilangan pensuisan adalah minimum). 2) Menentukan suhu kes maksimum yang dibenarkan berdasarkan suhu ambien, margin keselamatan yang diperlukan, dan rintangan terma simpang-ke-kes. 3) Menggunakan ini untuk mengira rintangan terma yang diperlukan bagi penyejuk haba (Rth(SA)). Formulanya ialah: Rth(SA) = (TC - TA) / PD - Rth(JC) - Rth(CS), di mana Rth(CS) ialah rintangan terma bahan antara muka (gris terma/pad). Qc yang rendah secara langsung mengurangkan kehilangan pensuisan, yang seterusnya mengurangkan keperluan penyejuk haba, membolehkan penjimatan kos dan saiz seperti yang dinyatakan dalam ciri-ciri.

5.3 Operasi Selari

Pekali suhu positif VF memudahkan operasi selari yang selamat bagi pelbagai peranti untuk keupayaan arus yang lebih tinggi. Apabila satu diode menjadi panas dan VFnya meningkat, arus secara semula jadi beralih ke peranti selari yang lebih sejuk, menggalakkan perkongsian arus yang seimbang. Ini adalah kelebihan ketara berbanding beberapa diode dengan pekali suhu negatif yang boleh mengalami pelarian terma dalam konfigurasi selari.

6. Perbandingan dan Pembezaan Teknikal

Berbanding dengan diode pemulihan pantas silikon standard (FRD) atau bahkan diode pemulihan ultra pantas, diode SiC Schottky ini menawarkan kelebihan asas. Diode silikon mempunyai cas pemulihan songsang (Qrr) yang besar, membawa kepada kehilangan pensuisan yang ketara, lonjakan voltan, dan gangguan elektromagnet (EMI) pada pemadaman. Qc diode SiC Schottky adalah lebih rendah dengan beberapa magnitud, secara praktikalnya menghapuskan isu-isu ini. Walaupun diode Schottky silikon karbida secara sejarah mempunyai penurunan voltan hadapan yang lebih tinggi daripada diode PN silikon, peranti moden seperti ini telah mencapai nilai VF yang kompetitif (1.5V) sambil mengekalkan faedah pensuisan. Suhu operasi maksimum yang lebih tinggi (175°C lwn biasanya 150°C untuk silikon) juga menyediakan margin kebolehpercayaan dalam persekitaran suhu tinggi.

7. Soalan Lazim (Berdasarkan Parameter Teknikal)

7.1 Apakah maksud "secara asasnya tiada kehilangan pensuisan"?

Ini merujuk kepada ketiadaan hampir kehilangan pemulihan songsang. Dalam litar pensuisan, apabila diode disuis dari konduksi hadapan ke sekatan songsang, cas tersimpan dalam diode konvensional mesti dikeluarkan, menyebabkan denyut arus songsang dan kehilangan tenaga yang berkaitan. Qc diode SiC Schottky hanya 10nC bermakna cas ini adalah kecil, menjadikan kehilangan pensuisan boleh diabaikan berbanding kehilangan konduksi.

7.2 Bagaimanakah Qc yang rendah membolehkan operasi frekuensi lebih tinggi?

Kehilangan pensuisan adalah berkadar dengan frekuensi pensuisan. Dengan diode tradisional, kehilangan pemulihan songsang yang tinggi menghadkan frekuensi pensuisan praktikal maksimum disebabkan penjanaan haba yang berlebihan. Memandangkan kehilangan pensuisan diode SiC adalah minimum, frekuensi boleh ditingkatkan dengan ketara. Frekuensi yang lebih tinggi membolehkan penggunaan induktor dan transformer yang lebih kecil, secara langsung meningkatkan ketumpatan kuasa.

7.3 Mengapakah kes disambungkan ke katod, dan apakah implikasinya?

Ini adalah reka bentuk biasa dalam pakej kuasa atas sebab elektrik dan terma. Ia bermakna tab logam, yang merupakan laluan haba utama, adalah hidup secara elektrik (pada potensi katod). Oleh itu, jika pelbagai peranti pada potensi berbeza dipasang pada penyejuk haba biasa, perkakasan penebat (mesin basuh mika, pad silikon, dll.) mesti digunakan untuk mengelakkan litar pintas. Bahan antara muka terma juga mesti mempunyai kekuatan dielektrik yang baik.

8. Kajian Kes Reka Bentuk Praktikal

Pertimbangkan mereka bentuk peringkat PFC peningkatan 1kW, 80kHz dengan voltan keluaran 400VDC. Diode ultra pantas silikon mungkin mempunyai Qrr 50nC. Kehilangan pemulihan songsang setiap kitaran boleh dianggarkan sebagai 0.5 * Vout * Qrr * fsw. Ini akan menjadi 0.5 * 400V * 50nC * 80kHz = 0.8W. Menggunakan diode SiC Schottky dengan Qc=10nC mengurangkan kehilangan ini kepada 0.5 * 400V * 10nC * 80kHz = 0.16W, penjimatan 0.64W. Kehilangan yang dikurangkan ini menurunkan suhu simpang atau membolehkan penyejuk haba yang lebih kecil. Tambahan pula, ketiadaan arus pemulihan songsang mengurangkan tekanan pada suis utama (MOSFET/IGBT) dan meminimumkan EMI, berpotensi memudahkan reka bentuk penapis input.

9. Prinsip Operasi

Diode Schottky dibentuk oleh simpang logam-semikonduktor, tidak seperti diode simpang PN. Dalam diode Schottky Silikon Karbida, sentuhan logam dibuat kepada semikonduktor SiC jurang jalur lebar. Struktur ini menghasilkan penurunan voltan hadapan yang lebih rendah untuk ketumpatan arus tertentu berbanding simpang PN dan, yang penting, tidak mempunyai penyimpanan pembawa minoriti. Oleh itu, apabila voltan menyongsang, tiada proses perlahan gabungan semula pembawa minoriti untuk menyebabkan arus pemulihan songsang; kapasitans simpang hanya menyahcas. Ini adalah sebab asas untuk kelajuan pensuisan pantas dan Qc rendahnya.

10. Trend Teknologi

Peranti kuasa Silikon Karbida, termasuk diode Schottky dan MOSFET, adalah teknologi pemudah utama untuk elektronik kuasa berkecekapan tinggi moden. Trend adalah ke arah penarafan voltan yang lebih tinggi (cth., 1200V, 1700V) untuk aplikasi seperti penyongsang tarikan kenderaan elektrik dan pemacu industri, rintangan hidup spesifik yang lebih rendah untuk MOSFET, dan kebolehpercayaan yang dipertingkatkan. Integrasi juga merupakan trend, dengan kemunculan modul kuasa yang menggabungkan MOSFET SiC dan diode Schottky dalam konfigurasi separuh jambatan atau lain. Apabila volum pembuatan meningkat dan kos menurun, teknologi SiC secara progresif menggantikan IGBT dan diode silikon dalam aplikasi kuasa sederhana di mana kecekapan, frekuensi, dan ketumpatan kuasa adalah faktor pendorong.