Техническая документация на диод Шоттки SiC 650В в корпусе TO-247-2L - Габариты 16.26x20.0x4.7мм - Напряжение 650В - Ток 8А

1. Обзор продукта

В данном документе подробно описаны характеристики высокопроизводительного карбид-кремниевого (SiC) диода с барьером Шоттки (SBD) в корпусе TO-247-2L. Устройство разработано для обеспечения превосходной эффективности и надежности в требовательных приложениях преобразования энергии. Его основная функция — обеспечение одностороннего протекания тока с минимальными коммутационными потерями и зарядом обратного восстановления, что является значительным преимуществом по сравнению с традиционными кремниевыми диодами.

Основное позиционирование данного диода — современные высокочастотные и высокоэффективные силовые системы. Его ключевые преимущества проистекают из присущих карбиду кремния свойств материала, которые позволяют работать при более высоких температурах, напряжениях и частотах переключения по сравнению с кремнием. Целевые рынки разнообразны и охватывают отрасли, где критически важны энергоэффективность, удельная мощность и тепловое управление. К ним относятся промышленные приводы двигателей, системы возобновляемой энергии, такие как солнечные инверторы, блоки питания для центров обработки данных и источники бесперебойного питания (ИБП).

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Электрические характеристики

Электрические параметры определяют рабочие границы и производительность диода в конкретных условиях.

• Повторяющееся пиковое обратное напряжение (VRRM):650В. Это максимальное мгновенное обратное напряжение, которое может быть приложено повторно. Оно определяет номинальное напряжение устройства и имеет решающее значение для выбора диода для заданного напряжения шины, обычно с запасом по напряжению.
• Постоянный прямой ток (IF):8А. Это максимальный средний прямой ток, который диод может проводить непрерывно, ограниченный максимальной температурой перехода и тепловым сопротивлением. Значение 8А указано при температуре корпуса (TC) 25°C. В реальных приложениях необходимо снижение номинала в зависимости от фактической рабочей температуры.
• Прямое напряжение (VF):Обычно 1,5В при 8А и температуре перехода (TJ) 25°C, максимум 1,85В. Этот параметр критически важен для расчета потерь на проводимость (P_проводимость = VF * IF). Низкое VF является ключевым преимуществом технологии SiC Шоттки, напрямую способствуя повышению эффективности системы. Обратите внимание, что VF имеет отрицательный температурный коэффициент, то есть слегка уменьшается с ростом температуры, что помогает предотвратить тепловой разгон в параллельных конфигурациях.
• Обратный ток (IR):Обычно 2 мкА при 520В и TJ 25°C. Это ток утечки, когда диод смещен в обратном направлении. Низкий ток утечки минимизирует потери мощности в закрытом состоянии.
• Полный емкостный заряд (QC):12 нКл (типичное значение) при VR=400В. Это критический параметр для высокочастотного переключения. QC представляет собой заряд, связанный с барьерной емкостью диода, который должен быть перемещен в течение каждого цикла переключения. Низкое значение QC напрямую приводит к снижению коммутационных потерь, позволяя работать на более высоких частотах.
• Импульсный неповторяющийся прямой ток (IFSM):29А. Это максимально допустимый неповторяющийся пиковый ток короткой продолжительности (10 мс, полусинусоида). Он указывает на способность устройства выдерживать пусковые или аварийные токи, например, возникающие при запуске или переходных процессах нагрузки.

2.2 Тепловые характеристики

Тепловое управление имеет первостепенное значение для надежности и производительности.

• Максимальная температура перехода (TJ,max):175°C. Это абсолютная максимальная температура, которую может выдержать полупроводниковый переход. Непрерывная работа на этом пределе или около него значительно сократит срок службы устройства.
• Тепловое сопротивление, переход-корпус (RθJC):1,9 °C/Вт (типичное значение). Этот параметр количественно определяет тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом (переходом) и внешним корпусом. Более низкое значение указывает на лучший отвод тепла от кристалла к радиатору. Общий рост температуры перехода можно рассчитать как ΔTJ = PD * RθJC, где PD — мощность, рассеиваемая на диоде.
• Полная рассеиваемая мощность (PD):42Вт при TC=25°C. Это максимальная мощность, которую устройство может рассеять в указанных условиях испытаний. На практике допустимая рассеиваемая мощность уменьшается с ростом температуры корпуса.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлено несколько характеристических кривых, необходимых для проектирования и анализа.

3.1 Характеристика VF-IF

На этом графике показана зависимость прямого напряжения (VF) от прямого тока (IF). Он демонстрирует нелинейную зависимость, обычно начинающуюся с напряжения отсечки, а затем приблизительно линейно возрастающую. Конструкторы используют эту кривую для точного определения потерь на проводимость при конкретных рабочих токах, что более точно, чем использование одного типичного значения VF.

3.2 Характеристика VR-IR

Эта кривая иллюстрирует обратный ток утечки (IR) как функцию приложенного обратного напряжения (VR). Она показывает, как ток утечки увеличивается как с ростом обратного напряжения, так и с температурой перехода. Это жизненно важно для оценки потерь в закрытом состоянии, особенно в высоковольтных приложениях.

3.3 Характеристика VR-Ct

На этом графике показана полная емкость (Ct) диода в зависимости от обратного напряжения (VR). Барьерная емкость сильно нелинейна, значительно уменьшаясь с ростом обратного напряжения (с 208 пФ при 1В до 18 пФ при 400В). Эта нелинейная емкость является ключевым фактором при расчете коммутационного поведения и параметра QC.

3.4 Максимальный прямой ток в зависимости от температуры корпуса

Эта кривая снижения номинала показывает, как максимально допустимый постоянный прямой ток (IF) уменьшается с ростом температуры корпуса (TC). Это фундаментальное руководство для проектирования радиатора, гарантирующее, что температура перехода не превысит свой максимальный номинал при любых рабочих условиях.

3.5 Переходное тепловое сопротивление

На этой кривой показано переходное тепловое сопротивление (ZθJC) в зависимости от длительности импульса. Оно имеет решающее значение для оценки роста температуры перехода во время коротких импульсов мощности, например, возникающих во время коммутационных событий или импульсных условий. Тепловая масса корпуса приводит к тому, что эффективное тепловое сопротивление оказывается ниже для очень коротких импульсов.

4. Механическая информация и информация о корпусе

4.1 Контур и габариты корпуса

Устройство использует стандартный для отрасли корпус TO-247-2L. Ключевые размеры из чертежа контура включают общую длину корпуса приблизительно 20,0 мм, ширину 16,26 мм и высоту 4,7 мм (без учета выводов). Выводы имеют определенную толщину и шаг для обеспечения совместимости со стандартными разводками печатных плат и монтажными отверстиями радиаторов.

4.2 Конфигурация выводов и идентификация полярности

Корпус TO-247-2L имеет два вывода. Вывод 1 обозначен как катод (K), а вывод 2 — анод (A). Важно отметить, что металлическая площадка или корпус электрически соединены с катодом. Это необходимо тщательно учитывать при монтаже, чтобы обеспечить надлежащую электрическую изоляцию, если радиатор не находится под потенциалом катода. Предоставлен рекомендуемый посадочный рисунок на печатной плате (расположение контактных площадок) для обеспечения надежной пайки и тепловых характеристик при использовании формы выводов для поверхностного монтажа.

5. Рекомендации по монтажу и сборке

Правильная установка критически важна для производительности и надежности.

• Момент затяжки крепежного винта:Рекомендуемый момент затяжки для крепежного винта (M3 или 6-32) составляет 8,8 Н·см (или 8,8 фунт-сила-дюйм). Применение правильного момента обеспечивает оптимальный тепловой контакт между корпусом устройства и радиатором без повреждения корпуса.
• Теплопроводящий интерфейсный материал (ТИМ):Между корпусом диода и радиатором всегда необходимо использовать подходящую теплопроводящую пасту или прокладку для заполнения микроскопических воздушных зазоров и минимизации теплового сопротивления.
• Электрическая изоляция:Поскольку корпус соединен с катодом, если радиатор находится под другим потенциалом, требуется электрически изолирующая, но теплопроводящая прокладка (например, слюдяная, силиконовая резина с керамическим наполнителем). Номинальное напряжение изоляции этой прокладки должно превышать рабочее напряжение системы.
• Условия хранения:Устройство должно храниться в диапазоне температур от -55°C до +175°C в сухой, некоррозионной среде.

6. Рекомендации по применению

6.1 Типовые схемы применения

Данный диод Шоттки SiC идеально подходит для нескольких ключевых силовых электронных схем:

• Коррекция коэффициента мощности (PFC):Используется в повышающем преобразователе импульсных источников питания (SMPS). Его быстрое переключение и низкий QC снижают коммутационные потери на высоких частотах (часто от 65 кГц до 150 кГц), повышая эффективность каскада PFC.
• Каскад DC-AC солнечного инвертора:Применяется в инверторном мосту или в качестве обратного диода. Высокое номинальное напряжение и эффективность способствуют повышению общей эффективности инвертора, что критически важно для выработки солнечной энергии.
• Источник бесперебойного питания (ИБП):Используется как в выпрямителе/зарядном устройстве, так и в инверторной части. Высокая импульсная стойкость (IFSM) помогает справляться с токами зарядки аккумулятора и переходными процессами выходной нагрузки.
• Инверторы приводов двигателей:Выполняет функцию обратного диода, шунтирующего биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или MOSFET в выходном мосту. Отсутствие заряда обратного восстановления устраняет потери на обратное восстановление и связанные с ними выбросы напряжения, обеспечивая более плавное переключение и снижение электромагнитных помех (ЭМП).

6.2 Вопросы проектирования

• Снабберные цепи:Благодаря очень быстрому переключению и практически отсутствию обратного восстановления, снабберные цепи для управления di/dt или dv/dt могут быть упрощены или даже не нужны по сравнению с кремниевыми диодами с PN-переходом. Однако паразитная индуктивность, вызванная разводкой, все еще может вызывать выбросы напряжения, и ее необходимо минимизировать с помощью плотной разводки печатной платы.
• Параллельная работа:Отрицательный температурный коэффициент VF делает эти диоды по своей природе подходящими для параллельной работы для увеличения пропускной способности по току. Когда один диод нагревается, его VF уменьшается, заставляя его принимать на себя больший ток, что способствует балансировке тока, а не тепловому разгону. Тем не менее, все равно рекомендуется уделять внимание симметричной разводке и тепловой связи.
• Выбор размера радиатора:Используйте рассеиваемую мощность (рассчитанную из VF и IR), RθJC и кривую снижения номинала для точного определения размера радиатора. Цель — поддерживать температуру перехода значительно ниже 175°C (например, 125-150°C) для долгосрочной надежности.

7. Техническое сравнение и преимущества

По сравнению со стандартными кремниевыми диодами с быстрым восстановлением (FRD) или даже кремниевыми диодами с PN-переходом, данный диод Шоттки SiC предлагает явные преимущества:

• Практически нулевое обратное восстановление:Барьер Шоттки является прибором с основными носителями, в отличие от PN-переходов, которые являются приборами с неосновными носителями. Это устраняет накопленный заряд и связанное с ним время обратного восстановления (trr) и ток (Irr). Это самое значительное преимущество, приводящее к резкому снижению коммутационных потерь.
• Более высокая рабочая температура:Более широкая запрещенная зона карбида кремния позволяет достичь более высокой максимальной температуры перехода (175°C против обычно 150°C для кремния), предлагая больший запас по проектированию или позволяя использовать радиаторы меньшего размера.
• Более высокая частота переключения:Сочетание низкого QC и отсутствия обратного восстановления обеспечивает эффективную работу на гораздо более высоких частотах. Это позволяет использовать пассивные компоненты меньшего размера (катушки индуктивности, конденсаторы, трансформаторы), увеличивая удельную мощность.
• Более низкое прямое падение напряжения:При типичных рабочих токах диоды Шоттки SiC часто имеют сравнимое или более низкое VF, чем высоковольтные кремниевые FRD, снижая потери на проводимость.
• Компромисс:Основным историческим компромиссом была стоимость, хотя цены на устройства SiC значительно снизились. Кроме того, обратный ток утечки диодов Шоттки, как правило, выше, чем у диодов с PN-переходом, и резче возрастает с температурой, что может быть важным фактором в приложениях с очень высокими температурами.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Что на практике означает "практически отсутствие коммутационных потерь"?

О1: Это означает, что доминирующий механизм коммутационных потерь в диоде — потери на обратное восстановление — пренебрежимо мал. Однако потери все еще возникают из-за заряда и разряда барьерной емкости (связанной с QC). Эти емкостные потери, как правило, намного меньше, чем потери на обратное восстановление кремниевого диода, особенно на высоких частотах.

В2: Как выбрать радиатор для этого диода?

О2: Сначала рассчитайте рассеиваемую мощность в наихудшем случае: PD = (VF * IF_средн) + (VR * IR_средн). Используйте значения VF и IR при ожидаемой рабочей температуре перехода. Затем определите целевую максимальную температуру перехода (например, 140°C). Необходимое тепловое сопротивление радиатора (RθSA) можно найти по формуле: RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS, где TA — температура окружающей среды, а RθCS — тепловое сопротивление интерфейсного материала.

В3: Могу ли я использовать этот диод в качестве прямой замены кремниевому диоду в моей существующей схеме?

О3: Не всегда без проверки. Хотя цоколевка и корпус могут быть совместимы, более быстрое переключение может привести к более высоким выбросам напряжения из-за паразитной индуктивности цепи. Управление затвором или управление связанным переключающим транзистором могут потребовать корректировки. Более низкое прямое напряжение также может незначительно изменить поведение схемы. Рекомендуется тщательный анализ проекта.

В4: Почему корпус соединен с катодом?

О4: Это распространено в силовых корпусах. Это позволяет использовать большую металлическую площадку, отлично подходящую для отвода тепла, в качестве электрического соединения. Это снижает паразитную индуктивность в цепи катода, что полезно для высокоскоростного переключения. Это требует тщательной изоляции, если радиатор не находится под потенциалом катода.

9. Практический пример проектирования

Сценарий: Проектирование повышающего каскада PFC мощностью 1,5 кВт.

Предположим диапазон входного напряжения 85-265 В переменного тока, выходное напряжение 400 В постоянного тока и частоту переключения 100 кГц. Повышающий диод должен выдерживать 400 В и проводить ток дросселя. Расчеты показывают пиковый ток около 10 А и средний ток диода приблизительно 4 А.



Кремниевый сверхбыстрый диод с trr 50 нс и QC 30 нКл имел бы значительные потери на обратное восстановление на частоте 100 кГц. Выбрав этот диод Шоттки SiC (QC=12 нКл, нет trr), коммутационные потери в диоде сводятся только к емкостным потерям. Это напрямую повышает эффективность на 0,5-1,5%, снижает тепловыделение и может позволить использовать радиатор меньшего размера или обеспечить работу при более высокой температуре окружающей среды. Конструкция также выигрывает от снижения ЭМП из-за отсутствия выбросов тока обратного восстановления.

10. Принцип работы

Диод Шоттки формируется металл-полупроводниковым переходом, в отличие от стандартного диода с PN-переходом, который использует полупроводник-полупроводниковый переход. В диоде Шоттки SiC металл (например, титан) осаждается на карбид кремния. Это создает барьер Шоттки, который позволяет току свободно течь в прямом направлении при приложении небольшого напряжения (низкое VF). В обратном направлении барьер блокирует протекание тока. Поскольку проводимость зависит только от основных носителей (электронов в подложке SiC N-типа), не происходит инжекции и накопления неосновных носителей. Следовательно, когда напряжение меняет полярность, нет накопленного заряда, который нужно удалить, что приводит к почти мгновенной характеристике выключения и отсутствию обратного восстановления.

11. Технологические тренды

Силовые приборы на основе карбида кремния, включая диоды Шоттки и MOSFET, представляют собой основную тенденцию в силовой электронике в сторону повышения эффективности, частоты и удельной мощности. Рынок переходит от устройств на 600-650В (конкурирующих с кремниевыми суперджанкшен MOSFET и IGBT) к номиналам 1200В и 1700В для промышленных и автомобильных применений. Интеграция диодов SiC с MOSFET SiC в модули становится обычной практикой для создания полных высокопроизводительных силовых каскадов. Постоянное улучшение качества материала SiC и технологических процессов производства снижает стоимость и повышает надежность устройств, делая технологию SiC предпочтительным выбором для новых разработок в средне- и высокомощных приложениях, где производительность имеет решающее значение.