TO-247-2L 650V SiC Schottky Diyot Veri Sayfası - Paket 16.26x20.0x4.7mm - Gerilim 650V - Akım 8A - Türkçe Teknik Doküman

1. Ürün Genel Bakışı

Bu belge, TO-247-2L paketinde bulunan yüksek performanslı bir Silisyum Karbür (SiC) Schottky Bariyer Diyotunun (SBD) özelliklerini detaylandırır. Cihaz, zorlu güç dönüştürme uygulamalarında üstün verimlilik ve güvenilirlik sağlamak üzere tasarlanmıştır. Temel işlevi, geleneksel silisyum tabanlı diyotlara kıyasla önemli bir avantaj olan, minimal anahtarlama kayıpları ve ters kurtarma yükü ile tek yönlü akım akışı sağlamaktır.

Bu diyotun birincil konumlandırması, modern, yüksek frekanslı ve yüksek verimli güç sistemleri içindedir. Temel avantajları, silisyuma kıyasla daha yüksek sıcaklıklarda, gerilimlerde ve anahtarlama frekanslarında çalışmaya olanak tanıyan Silisyum Karbür'ün doğal malzeme özelliklerinden kaynaklanır. Hedef pazarlar çeşitlidir ve enerji verimliliği, güç yoğunluğu ve termal yönetimin kritik olduğu endüstrileri kapsar. Bunlar arasında endüstriyel motor sürücüleri, güneş invertörleri gibi yenilenebilir enerji sistemleri, veri merkezi güç kaynakları ve kesintisiz güç kaynakları (UPS) bulunur.

2. Derinlemesine Teknik Parametre Analizi

2.1 Elektriksel Özellikler

Elektriksel parametreler, diyotun belirli koşullar altındaki çalışma sınırlarını ve performansını tanımlar.

• Tekrarlanan Tepe Ters Gerilim (VRRM):650V. Bu, tekrarlı olarak uygulanabilen maksimum anlık ters gerilimdir. Cihazın gerilim derecesini tanımlar ve tipik olarak bir güvenlik payı ile belirli bir bara gerilimi için diyot seçiminde çok önemlidir.
• Sürekli İleri Akım (IF):8A. Bu, diyotun sürekli olarak iletebileceği maksimum ortalama ileri akımdır, maksimum eklem sıcaklığı ve termal direnç ile sınırlıdır. 8A değeri, kasa sıcaklığının (TC) 25°C olduğu durumda belirtilmiştir. Gerçek uygulamalarda, gerçek çalışma sıcaklığına dayalı olarak derecelendirme düşürme gereklidir.
• İleri Gerilim (VF):8A ve 25°C eklem sıcaklığında (TJ) tipik olarak 1.5V, maksimum 1.85V. Bu parametre, iletim kayıplarını hesaplamak için kritiktir (P_iletim = VF * IF). Düşük VF, SiC Schottky teknolojisinin temel bir faydasıdır ve doğrudan daha yüksek sistem verimliliğine katkıda bulunur. VF'nin negatif bir sıcaklık katsayısına sahip olduğunu, yani sıcaklık arttıkça hafifçe azaldığını unutmayın; bu, paralel konfigürasyonlarda termal kaçak oluşmasını önlemeye yardımcı olur.
• Ters Akım (IR):520V ve 25°C TJ'de tipik olarak 2µA. Bu, diyot ters öngerilimli olduğunda oluşan kaçak akımdır. Düşük kaçak akım, kapalı durum güç kayıplarını en aza indirir.
• Toplam Kapasitif Yük (QC):VR=400V'da 12 nC (tipik). Bu, yüksek frekanslı anahtarlama için kritik bir parametredir. QC, her anahtarlama döngüsü sırasında yer değiştirmesi gereken diyotun eklem kapasitansı ile ilişkili yükü temsil eder. Düşük bir QC değeri, doğrudan daha düşük anahtarlama kayıplarına ve dolayısıyla daha yüksek frekansta çalışmaya olanak tanır.
• Darbe (Tekrarlanmayan) İleri Akım (IFSM):29A. Bu, kısa bir süre (10ms, yarım sinüs dalgası) için izin verilen maksimum tekrarlanmayan tepe akımdır. Cihazın, başlangıç veya yük geçişleri sırasında karşılaşılanlar gibi, ani akım veya hata akımlarına dayanma yeteneğini gösterir.

2.2 Termal Özellikler

Termal yönetim, güvenilirlik ve performans için son derece önemlidir.

• Maksimum Eklem Sıcaklığı (TJ,max):175°C. Bu, yarı iletken eklemin dayanabileceği mutlak maksimum sıcaklıktır. Bu sınıra yakın veya bu sınırdaki sürekli çalışma, cihazın ömrünü önemli ölçüde azaltacaktır.
• Termal Direnç, Eklem-Kasa (RθJC):1.9 °C/W (tipik). Bu parametre, yarı iletken çip (eklem) ile paketin dış kasası arasındaki termal empedansı ölçer. Daha düşük bir değer, çipten soğutucuya daha iyi ısı transferi anlamına gelir. Toplam eklem sıcaklığı artışı ΔTJ = PD * RθJC olarak hesaplanabilir; burada PD diyotta harcanan güçtür.
• Toplam Güç Dağılımı (PD):TC=25°C'de 42W. Bu, cihazın belirtilen test koşulu altında dağıtabileceği maksimum güçtür. Pratikte, izin verilen dağılım, kasa sıcaklığı arttıkça azalır.

3. Performans Eğrisi Analizi

Veri sayfası, tasarım ve analiz için gerekli olan çeşitli karakteristik eğriler sağlar.

3.1 VF-IF Karakteristiği

Bu grafik, ileri gerilimi (VF) ileri akıma (IF) karşı çizer. Tipik olarak bir diz gerilimi ile başlayan ve daha sonra yaklaşık olarak doğrusal bir şekilde artan doğrusal olmayan ilişkiyi gösterir. Tasarımcılar, belirli çalışma akımlarındaki iletim kayıplarını doğru bir şekilde belirlemek için bu eğriyi kullanır; bu, tek bir tipik VF değeri kullanmaktan daha hassastır.

3.2 VR-IR Karakteristiği

Bu eğri, ters kaçak akımını (IR), uygulanan ters gerilimin (VR) bir fonksiyonu olarak gösterir. Kaçak akımın hem ters gerilim hem de eklem sıcaklığı ile nasıl arttığını gösterir. Bu, özellikle yüksek gerilim uygulamalarında, kapalı durum kayıplarını tahmin etmek için hayati öneme sahiptir.

3.3 VR-Ct Karakteristiği

Bu grafik, diyotun toplam kapasitansını (Ct) ters gerilime (VR) karşı gösterir. Eklem kapasitansı oldukça doğrusal değildir; ters gerilim arttıkça önemli ölçüde azalır (1V'da 208 pF'den 400V'da 18 pF'ye). Bu doğrusal olmayan kapasitans, anahtarlama davranışını ve QC parametresini hesaplamada önemli bir faktördür.

3.4 Maksimum İleri Akım - Kasa Sıcaklığı İlişkisi

Bu derecelendirme düşürme eğrisi, maksimum izin verilen sürekli ileri akımın (IF), kasa sıcaklığı (TC) arttıkça nasıl azaldığını gösterir. Tüm çalışma koşullarında eklem sıcaklığının maksimum derecesini aşmamasını sağlamak için soğutucu tasarımında temel bir rehberdir.

3.5 Geçici Termal Empedans

Bu eğri, geçici termal direnci (ZθJC) darbe genişliğine karşı çizer. Anahtarlama olayları veya darbe koşulları sırasında meydana gelenler gibi, kısa süreli güç darbeleri sırasındaki eklem sıcaklığı artışını değerlendirmek için çok önemlidir. Paketin termal kütlesi, çok kısa darbeler için etkin termal direncin daha düşük olmasına neden olur.

4. Mekanik ve Paket Bilgisi

4.1 Paket Şekli ve Boyutları

Cihaz, endüstri standardı TO-247-2L paketini kullanır. Şekil çiziminden alınan anahtar boyutlar arasında yaklaşık 20.0 mm toplam paket uzunluğu, 16.26 mm genişlik ve 4.7 mm yükseklik (bacaklar hariç) bulunur. Bacaklar, standart PCB düzenleri ve soğutucu montaj delikleri ile uyumluluğu sağlamak için belirli bir kalınlığa ve aralığa sahiptir.

4.2 Bacak Yapılandırması ve Polarite Tanımlama

TO-247-2L paketinin iki bacağı vardır. Bacak 1 Katot (K) ve Bacak 2 Anot (A) olarak tanımlanır. Önemli olarak, paketin metal sekmesi veya kasası elektriksel olarak Katot'a bağlıdır. Soğutucu katot potansiyelinde değilse, uygun elektriksel yalıtımı sağlamak için montaj sırasında bu durum dikkatlice göz önünde bulundurulmalıdır. Yüzey montajlı bacak formu kullanıldığında güvenilir lehimleme ve termal performans sağlamak için önerilen bir PCB lehim yatağı deseni (pad düzeni) sağlanmıştır.

5. Montaj ve Montaj Kılavuzları

Doğru kurulum, performans ve güvenilirlik için kritiktir.

• Montaj Torku:Sabitleme vidası (M3 veya 6-32) için önerilen montaj torku 8.8 N·cm (veya 8.8 lbf-in)'dir. Doğru torkun uygulanması, paket kasasını hasar vermeden soğutucu ile optimal termal temas sağlar.
• Termal Arayüz Malzemesi (TIM):Diyot kasası ile soğutucu arasında mikroskobik hava boşluklarını doldurmak ve termal direnci en aza indirmek için her zaman uygun bir termal macun veya ped kullanılmalıdır.
• Elektriksel Yalıtım:Kasa katoda bağlı olduğundan, soğutucu farklı bir potansiyelde ise elektriksel olarak yalıtkan ancak termal olarak iletken bir ped (örneğin, mika, seramik dolgulu silikon kauçuk) gereklidir. Bu pedin yalıtım gerilimi derecesi, sistemin çalışma gerilimini aşmalıdır.
• Depolama Koşulları:Cihaz, kuru, aşındırıcı olmayan bir ortamda -55°C ila +175°C sıcaklık aralığında depolanmalıdır.

6. Uygulama Önerileri

6.1 Tipik Uygulama Devreleri

Bu SiC Schottky diyot, birkaç önemli güç elektroniği devresi için ideal olarak uygundur:

• Güç Faktörü Düzeltme (PFC):Anahtarlamalı mod güç kaynaklarının (SMPS) yükseltici dönüştürücü aşamasında kullanılır. Hızlı anahtarlaması ve düşük QC'si, yüksek frekanslarda (genellikle 65kHz ila 150kHz) anahtarlama kayıplarını azaltarak PFC aşamasının verimliliğini artırır.
• Güneş İnvertörü DC-AC Aşaması:İnvertör köprüsünde veya serbest döndürme diyotu olarak kullanılır. Yüksek gerilim derecesi ve verimliliği, güneş enerjisi verimi için kritik olan genel invertör verimliliğinin daha yüksek olmasına katkıda bulunur.
• Kesintisiz Güç Kaynağı (UPS):Hem doğrultucu/şarj cihazında hem de invertör bölümünde kullanılır. Yüksek darbe kapasitesi (IFSM), pil şarj akımlarını ve çıkış yük geçişlerini yönetmeye yardımcı olur.
• Motor Sürücü İnvertörleri:Çıkış köprüsündeki Yalıtımlı Kapılı Bipolar Transistörler (IGBT'ler) veya MOSFET'ler üzerinde serbest döndürme diyotu görevi görür. Ters kurtarma yükünün olmaması, ters kurtarma kayıplarını ve ilişkili gerilim aşımını ortadan kaldırarak daha pürüzsüz anahtarlamaya ve azaltılmış elektromanyetik girişime (EMI) olanak tanır.

6.2 Tasarım Hususları

• Snubber Devreleri:Çok hızlı anahtarlama ve esasen hiç ters kurtarma olmaması nedeniyle, di/dt veya dv/dt'yi kontrol etmek için kullanılan snubber devreleri, silisyum PN eklem diyotlarına kıyasla basitleştirilebilir veya hatta gereksiz olabilir. Ancak, düzenlemeden kaynaklanan parazitik endüktans hala gerilim aşımına neden olabilir ve sıkı bir PCB düzeni ile en aza indirilmelidir.
• Paralel Çalışma:VF'nin negatif sıcaklık katsayısı, bu diyotları akım kapasitesini artırmak için doğal olarak paralel çalışmaya uygun hale getirir. Bir diyot ısındıkça, VF'si azalır ve bu da daha fazla akım paylaşmasına neden olarak akım dengesini teşvik eder ve termal kaçak oluşmasını engeller. Ancak, simetrik düzen ve termal bağlantıya dikkat edilmesi yine de önerilir.
• Soğutucu Boyutlandırma:Güç dağılımını (VF ve IR'den hesaplanan), RθJC'yi ve derecelendirme düşürme eğrisini kullanarak soğutucuyu doğru bir şekilde boyutlandırın. Amaç, uzun vadeli güvenilirlik için eklem sıcaklığını 175°C'nin (örneğin, 125-150°C) oldukça altında tutmaktır.

7. Teknik Karşılaştırma ve Avantajlar

Standart silisyum hızlı kurtarma diyotlarına (FRD) veya hatta silisyum PN diyotlarına kıyasla, bu SiC Schottky diyot belirgin avantajlar sunar:

• Esasen Sıfır Ters Kurtarma:Schottky bariyeri, azınlık taşıyıcılı cihazlar olan PN eklemlerinin aksine, çoğunluk taşıyıcılı bir cihazdır. Bu, depolanan yükü ve ilişkili ters kurtarma süresini (trr) ve akımını (Irr) ortadan kaldırır. Bu, en önemli avantajdır ve önemli ölçüde daha düşük anahtarlama kayıplarına yol açar.
• Daha Yüksek Çalışma Sıcaklığı:Silisyum Karbür'ün daha geniş bant aralığı, daha yüksek maksimum eklem sıcaklığına (silisyum için tipik 150°C'ye karşı 175°C) izin vererek daha fazla tasarım payı sunar veya daha küçük soğutucular kullanılmasına olanak tanır.
• Daha Yüksek Anahtarlama Frekansı:Düşük QC ve ters kurtarma olmamasının kombinasyonu, çok daha yüksek frekanslarda verimli çalışmaya olanak tanır. Bu, daha küçük pasif bileşenlerin (indüktörler, kapasitörler, transformatörler) kullanılmasına izin vererek güç yoğunluğunu artırır.
• Daha Düşük İleri Gerilim Düşüşü:Tipik çalışma akımlarında, SiC Schottky diyotlar genellikle yüksek gerilimli silisyum FRD'lere kıyasla benzer veya daha düşük bir VF'ye sahiptir, bu da iletim kayıplarını azaltır.
• Değiş tokuş:Tarihsel olarak birincil değiş tokuş maliyetti, ancak SiC cihaz fiyatları önemli ölçüde düşmüştür. Ayrıca, Schottky diyotların ters kaçak akımı genellikle PN diyotlarından daha yüksektir ve sıcaklıkla daha keskin bir şekilde artar; bu, çok yüksek sıcaklıklı uygulamalarda bir husus olabilir.

8. Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S1: Pratikte "esasen hiç anahtarlama kaybı yok" ne anlama gelir?

C1: Bu, bir diyottaki baskın anahtarlama kaybı mekanizması olan ters kurtarma kaybının ihmal edilebilir olduğu anlamına gelir. Ancak, eklem kapasitansının şarj ve deşarjından (QC ile ilişkili) kaynaklanan kayıplar hala meydana gelir. Bu kapasitif kayıplar, özellikle yüksek frekanslarda, bir silisyum diyotun ters kurtarma kayıplarından tipik olarak çok daha küçüktür.

S2: Bu diyot için bir soğutucuyu nasıl seçerim?

C2: İlk olarak, en kötü durum güç dağılımını hesaplayın: PD = (VF * IF_ortalama) + (VR * IR_ortalama). Beklenen çalışma eklem sıcaklığınızdaki VF ve IR değerlerini kullanın. Ardından, hedef maksimum eklem sıcaklığınızı (örneğin, 140°C) belirleyin. Gerekli soğutucu termal direnci (RθSA) şu şekilde bulunabilir: RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS; burada TA ortam sıcaklığı ve RθCS arayüz malzemesinin termal direncidir.

S3: Bu diyotu mevcut devremdeki bir silisyum diyotun yerine doğrudan kullanabilir miyim?

C3: Her zaman inceleme yapmadan değil. Bacak yapılandırması ve paket uyumlu olabilirken, daha hızlı anahtarlama, devre parazitik endüktansı nedeniyle daha yüksek gerilim aşımlarına yol açabilir. İlgili anahtarlama transistörü için kapı sürücüsü veya kontrolünün ayarlanması gerekebilir. Daha düşük ileri gerilim de devre davranışını hafifçe değiştirebilir. Kapsamlı bir tasarım incelemesi önerilir.

S4: Kasa neden katoda bağlı?

C4: Bu, güç paketlerinde yaygındır. Isı transferi için mükemmel olan büyük metal sekmenin elektriksel bir bağlantı olarak kullanılmasına olanak tanır. Bu, katot yolundaki parazitik endüktansı azaltır ve yüksek hızlı anahtarlama için faydalıdır. Soğutucu katot potansiyelinde değilse, dikkatli yalıtım gerektirir.

9. Pratik Tasarım Vaka Çalışması

Senaryo: 1.5kW Boost PFC Aşaması Tasarımı.

85-265VAC giriş gerilimi aralığı, 400VDC çıkış gerilimi ve 100kHz anahtarlama frekansı olduğunu varsayalım. Boost diyotu 400V'u bloke etmeli ve indüktör akımını taşımalıdır. Hesaplamalar, yaklaşık 10A tepe akımı ve yaklaşık 4A ortalama diyot akımı olduğunu göstermektedir.



50ns trr ve 30nC QC'ye sahip bir silisyum ultra hızlı diyot, 100kHz'de önemli ters kurtarma kayıplarına maruz kalırdı. Bu SiC Schottky diyotu (QC=12nC, trr yok) seçilerek, diyottaki anahtarlama kayıpları sadece kapasitif kayıplara indirgenir. Bu, verimliliği doğrudan %0.5-1.5 artırır, ısı üretimini azaltır ve daha küçük bir soğutucu kullanılmasına veya daha yüksek bir ortam sıcaklığında çalışmaya olanak tanıyabilir. Tasarım ayrıca, ters kurtarma akımı aşımlarının olmaması nedeniyle azaltılmış EMI'den faydalanır.

10. Çalışma Prensibi

Bir Schottky diyotu, yarı iletken-yarı iletken eklem kullanan standart bir PN eklem diyotunun aksine, bir metal-yarı iletken eklem tarafından oluşturulur. Bir SiC Schottky diyotunda, bir metal (örneğin, Titanyum) Silisyum Karbür üzerine biriktirilir. Bu, küçük bir gerilim uygulandığında (düşük VF) akımın serbestçe ileri yönde akmasına izin veren bir Schottky bariyeri oluşturur. Ters yönde, bariyer akım akışını engeller. İletim sadece çoğunluk taşıyıcılara (N-tipi SiC substratındaki elektronlar) dayandığı için, azınlık taşıyıcıların enjeksiyonu ve depolanması yoktur. Sonuç olarak, gerilim tersine döndüğünde, kaldırılması gereken depolanmış bir yük yoktur, bu da neredeyse anlık kapanma karakteristiğine ve ters kurtarma olmamasına yol açar.

11. Teknoloji Trendleri

Silisyum Karbür güç cihazları, Schottky diyotlar ve MOSFET'ler dahil olmak üzere, güç elektroniğinde daha yüksek verimlilik, frekans ve güç yoğunluğuna doğru önemli bir trendi temsil eder. Pazar, 600-650V cihazlardan (silisyum Süpereklem MOSFET'ler ve IGBT'ler ile rekabet eden) endüstriyel ve otomotiv uygulamaları için 1200V ve 1700V derecelerine doğru ilerlemektedir. Tam yüksek performanslı güç aşamaları için SiC diyotların SiC MOSFET'ler ile modüllerde entegrasyonu yaygınlaşmaktadır. SiC malzeme kalitesi ve üretim süreçlerindeki sürekli iyileştirmeler, maliyetleri düşürmekte ve cihaz güvenilirliğini artırmakta, böylece SiC teknolojisini performansın kritik olduğu orta ve yüksek güçlü uygulamalardaki yeni tasarımlar için tercih edilen seçim haline getirmektedir.