TO-252-3L SiC Schottky Diyot Veri Sayfası - 650V, 20A, 1.5V - Paket 6.6x9.84x2.3mm - Türkçe Teknik Doküman

1. Ürün Genel Bakışı

Bu belge, yüzey montaj TO-252-3L (DPAK) paketinde yüksek performanslı bir Silisyum Karbür (SiC) Schottky Bariyer Diyotunun (SBD) özelliklerini detaylandırır. Cihaz, verimlilik, güç yoğunluğu ve termal yönetimin kritik olduğu yüksek gerilimli, yüksek frekanslı güç dönüştürme uygulamaları için tasarlanmıştır. SiC teknolojisini kullanan bu diyot, geleneksel silisyum PN eklem diyotlarına kıyasla üstün anahtarlama karakteristikleri sunarak sistem düzeyinde önemli iyileştirmeler sağlar.

Bu SiC Schottky diyotunun temel avantajı, neredeyse sıfır ters kurtarma yükünde yatar; bu, diyotun kapanmasıyla ilişkili anahtarlama kayıplarını fiilen ortadan kaldırır. Bu özellik, güç kaynakları ve invertörlerde anahtarlama frekanslarını artırmak, bobinler ve kapasitörler gibi daha küçük pasif bileşenlerin kullanılmasına izin vererek genel güç yoğunluğunu artırmak için son derece önemlidir. Düşük ileri yön gerilim düşüşü, iletim kayıplarının azalmasına daha da katkıda bulunarak çalışma sıcaklığı aralığı boyunca sistem verimliliğini artırır.

2. Derinlemesine Teknik Parametre Analizi

2.1 Elektriksel Özellikler

Cihaz, maksimum tekrarlanan tepe ters gerilim (VRRM) için 650V olarak derecelendirilmiştir; bu, evrensel AC şebeke (85-265VAC) ile çalışan uygulamalar için yeterli tasarım marjı sağlar. Sürekli ileri yön akımı (IF) derecesi, kasa sıcaklığı (TC) 25°C'de belirlenen 20A'dır. Bu akım derecesinin termal olarak sınırlı olduğunu ve eklem sıcaklığı arttıkça düşeceğini (derating) not etmek çok önemlidir; bu durum termal özellikler bölümünde detaylandırılmıştır.

Anahtarlama diyotları için kilit bir performans parametresi toplam kapasitif yüktür (Qc). Bu cihaz, 400V ters gerilim (VR) ve 25°C eklem sıcaklığında (Tj) tipik 30nC Qc değeri belirtir. Bu düşük değer, minimum depolanmış yükü doğrular; bu da doğrudan düşük anahtarlama kayıplarına ve yüksek frekanslı çalışmaya olanak tanır. İleri yön gerilimi (VF), 25°C'de 16A iletirken maksimum 1.85V olarak belirtilmiştir ve maksimum 175°C eklem sıcaklığında tipik olarak 1.9V'ye yükselir. VF'nin bu pozitif sıcaklık katsayısı, SiC Schottky diyotlarının faydalı bir özelliğidir; birden fazla cihaz paralel çalıştırıldığında akım paylaşımını teşvik eder ve termal kaçak oluşmasını önler.

Ters kaçak akımı (IR) son derece düşüktür; 520V ve 25°C'de maksimum 120µA'dır. Bu düşük kaçak, özellikle bekleme veya hafif yük koşullarında yüksek verimliliğe katkıda bulunur.

2.2 Termal Özellikler

Etkili termal yönetim, güvenilir çalışma için esastır. Birincil termal metrik, eklemden kasaya termal dirençtir (RθJC) ve tipik değeri 3.6°C/W olarak belirtilmiştir. Bu düşük değer, yarı iletken ekleminden paket kasasına verimli ısı transferini gösterir; bu da ısının, taban plakasına bağlı harici bir soğutucu aracılığıyla etkili bir şekilde dağıtılmasını sağlar. İzin verilen maksimum eklem sıcaklığı (Tj) 175°C'dir ve cihaz -55°C ila +175°C sıcaklık aralığında saklanabilir.

Toplam güç dağılımı (PD), TC=25°C'de 50W olarak derecelendirilmiştir. Pratik uygulamalarda, gerçek izin verilen güç dağılımı, maksimum eklem sıcaklığı, termal direnç (eklemden ortama, RθJA, bu kasadan soğutucuya ve soğutucudan ortama dirençleri içerir) ve ortam sıcaklığına göre hesaplanır. Sağlanan "Güç Dağılımı" ve "Geçici Termal Direnç" eğrileri, geçici aşırı yük koşulları için tasarım yapmak ve güvenli çalışma alanlarını belirlemek için kritiktir.

3. Performans Eğrisi Analizi

3.1 İleri Yön Karakteristiği (VF-IF)

VF-IF karakteristik eğrisi, çeşitli eklem sıcaklıklarında ileri yön gerilim düşüşü ile ileri yön akımı arasındaki ilişkiyi gösterir. Bir Schottky diyotu için beklendiği gibi, eğri silisyum PN diyotlarına kıyasla daha düşük bir dirsek gerilimi gösterir. Eğri aynı zamanda pozitif sıcaklık katsayısını da gösterir; belirli bir akım için VF, Tj ile artar. Bu grafik, farklı çalışma koşulları altında iletim kayıplarını (Ploss = VF * IF) hesaplamak için gereklidir.

3.2 Ters Yön Karakteristiği ve Kapasitans

VR-IR eğrisi, bloklama gerilimine kadar olan gerilim aralığında çok düşük ters kaçak akımını gösterir. VR-Ct eğrisi, eklem kapasitansını ters öngerilimin bir fonksiyonu olarak gösterir. Kapasitans, artan ters gerilimle azalır (~1V'de ~513pF'den ~400V'de ~46pF'ye); bu, gerilime bağlı tükenim bölgesi genişliğinin bir özelliğidir. Düşük ve gerilime bağlı kapasitans, anahtarlama hızını ve Qc parametresini etkiler.

3.3 Aşırı Akım ve Geçici Performans

"Maksimum Ip – TC Karakteristikleri" grafiği, izin verilen tekrarlanmayan aşırı akımı (IFSM) kasa sıcaklığının bir fonksiyonu olarak tanımlar. Cihaz, 25°C'de 26A'lık bir aşırı akımı (yarım sinüs dalgası, 10ms süre) kaldırabilir. "IFSM – PW Karakteristikleri" grafiği, aşırı akım kapasitesini darbe genişliğine karşı daha da detaylandırır; bu, ani akım veya arıza koşullarına karşı koruma tasarlamak için hayati öneme sahiptir. "EC-VR Karakteristikleri" eğrisi, depolanan kapasitif enerjiyi (EC) ters gerilime karşı çizer; rezonans devrelerindeki kayıpları anlamak için önemlidir.

4. Mekanik ve Paket Bilgileri

4.1 Paket Şekli ve Boyutları

Cihaz, bir TO-252-3L paketinde bulunur. Kritik boyutlar arasında toplam paket uzunluğu (E) 6.60mm (tipik), genişlik (D) 6.10mm (tipik) ve yükseklik (A) 2.30mm (tipik) bulunur. Bacak aralığı (e1) 2.28mm (temel) 'dir. Büyük metal taban plakası (kasa), birincil termal yol görevi görür ve elektriksel olarak katot terminaline bağlıdır. PCB ayak izi tasarımı için toleransları içeren detaylı ölçülü bir çizim sağlanmıştır.

4.2 Bacak Yapılandırması ve Polarite Tanımlama

Bacak yapılandırması açıkça tanımlanmıştır: Bacak 1 Katot (K), Bacak 2 Anot (A) 'dır ve KASA (büyük metal taban plakası) da Katot'a bağlıdır. Montaj sırasında doğru polarite tanımlama, cihaz arızasını önlemek için çok önemlidir. Uygun lehim bağlantısı oluşumu ve karta termal bağlantı sağlamak için yüzey montajı için önerilen PCB pad düzeni sağlanmıştır.

5. Lehimleme ve Montaj Kılavuzları

Bir yüzey montaj bileşeni olarak, bu diyot reflow lehimleme işlemleri için tasarlanmıştır. Bu veri sayfasında belirli reflow profil parametreleri (ön ısıtma, bekleme, reflow tepe sıcaklığı, likvidüs üzeri süre) listelenmemiş olsa da, IPC/JEDEC J-STD-020 ile uyumlu standart kurşunsuz (Pb-Free) reflow profilleri takip edilmelidir. Lehimleme sırasındaki maksimum paket gövde sıcaklığı, uzun süre için belirtilen maksimum depolama sıcaklığı olan 175°C'yi aşmamalıdır. Taban plakası ile kullanılan herhangi bir vida için montaj torku (soğutma için uygulanabilirse), M3 veya 6-32 vidaları için 8.8 N·cm (1 lbf·in) olarak belirtilmiştir.

Lehimleme sonrası bacaklarda mekanik stres oluşmasını önlemek için önlemler alınmalıdır. Cihaz, kullanımdan önce nem emilimini (reflow sırasında "patlamış mısır" etkisine neden olabilir) ve elektrostatik deşarj hasarını önlemek için kuru, antistatik bir ortamda saklanmalıdır.

6. Uygulama Önerileri

6.1 Tipik Uygulama Devreleri

Bu SiC Schottky diyotu, birkaç yüksek performanslı güç dönüştürme topolojisi için ideal olarak uygundur:

• Anahtarlamalı Güç Kaynaklarında (SMPS) Güç Faktörü Düzeltme (PFC):Sürekli iletim modunda (CCM) veya kritik iletim modunda (CrM) PFC aşamalarında yükseltici diyot olarak kullanılır. Hızlı anahtarlama ve düşük Qc'si, yüksek hat frekanslarında anahtarlama kayıplarını azaltır, özellikle yüksek hat gerilimlerinde verimliliği artırır.
• Solar İnvertörler:Fotovoltaik mikro-invertörler veya string invertörlerin yükseltici aşamasında, minimum kayıpla yüksek gerilim ve akımları yönetmek ve enerji hasadını maksimize etmek için kullanılır.
• Kesintisiz Güç Kaynakları (UPS):İnvertör çıkış aşamasında veya batarya şarj devrelerinde verimli yüksek frekanslı anahtarlama için kullanılır.
• Motor Sürücüleri:Değişken frekanslı sürücüler (VFD) içindeki serbest döndürme veya kenetleme devrelerinde, motorlardan gelen endüktif geri tepmeyi verimli bir şekilde yönetmek için kullanılabilir.
• Veri Merkezi Güç Kaynakları:Her yüzdelik kayıp azaltmanın kritik olduğu sunucu güç kaynaklarında yüksek verimlilik (örneğin, 80 Plus Titanium) elde etmek için gereklidir.

6.2 Tasarım Hususları

Termal Tasarım:Birincil tasarım zorluğu, eklem sıcaklığını yönetmektir. Gerekli soğutmayı hesaplamak için RθJC değerini ve maksimum Tj'yi kullanın. Metal taban plakası, PCB üzerinde yeterince büyük bir bakır pade, muhtemelen iç katmanlara veya arka tarafa termal viyalarla lehimlenmelidir; bu, bir soğutucu görevi görecektir. Daha yüksek güç uygulamaları için, taban plakasına takılan harici bir soğutucu gerekli olabilir.

Paralel Çalıştırma:VF'nin pozitif sıcaklık katsayısı, paralel bağlı diyotlar arasında akım paylaşımını kolaylaştırır. Ancak, hızlı geçici durumlarda akım dengesizliğini önlemek için her kolda eşit parazitik endüktans ve direnç sağlamak amacıyla dikkatli bir yerleşim simetrisi hala gereklidir.

Snubber Devreleri:Diyot çok düşük kurtarma yüküne sahip olsa da, parazitik devre endüktansı ve kapasitansı, kapanma sırasında gerilim aşımına neden olabilir. Bu aşırı gerilimleri kenetlemek ve maksimum gerilim dereceleri dahilinde güvenilir çalışmayı sağlamak için Snubber devreleri (RC veya RCD) gerekli olabilir.

Gate Sürücü Hususları (ilişkili anahtarlar için):Bu diyotun hızlı anahtarlaması, yüksek di/dt ve dv/dt'ye yol açabilir. Bu, eşlik eden anahtarlama transistörünün (örneğin, MOSFET) gate sürücü tasarımına, Miller etkisi nedeniyle yanlış tetiklemeyi önlemek veya elektromanyetik girişimi (EMI) yönetmek için dikkat edilmesini gerektirebilir.

7. Teknik Karşılaştırma ve Avantajlar

Standart silisyum hızlı kurtarma diyotlarına (FRD) veya hatta silisyum karbür eklem bariyer Schottky (JBS) diyotlarına kıyasla, bu Schottky diyotu belirgin avantajlar sunar:

• Sıfır Ters Kurtarma:Schottky bariyer mekanizmasının azınlık taşıyıcı depolaması yoktur; bu da neredeyse sıfır Qc'ye yol açar. Bu, ters kurtarma akım aşımını ortadan kaldırır, diyotun kendisinde ve eşlik eden transistörde anahtarlama kayıplarını azaltır ve EMI'yi en aza indirir.
• Yüksek Sıcaklıkta Çalışma:SiC malzeme özellikleri, maksimum 175°C eklem sıcaklığına izin verir; bu, tipik silisyum cihazlardan (150°C) daha yüksektir ve daha büyük tasarım marjı sunar veya daha küçük soğutucular kullanılmasına olanak tanır.
• Yüksek Frekans Kabiliyeti:Düşük Qc ve düşük kapasitans kombinasyonu, anahtarlama frekanslarında yüzlerce kHz'ye kadar verimli çalışmayı sağlar; bu, silisyum FRD'lerin pratik sınırlarını aşar.
• Verimlilik Kazanımları:Daha düşük VF (yüksek sıcaklıkta Si PN diyotlarına kıyasla) ve kurtarma kayıplarının olmaması, doğrudan daha yüksek sistem verimliliğine dönüşür; özellikle kısmi yük ve yüksek hat koşullarında.

Geleneksel olarak Schottky diyotlarıyla ilişkilendirilen ödünleşim—daha düşük çökme gerilimi—burada SiC kullanılarak aşılmıştır; bu da evrensel şebeke uygulamaları için uygun olan 650V derecesini mümkün kılar.

8. Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S: Bu diyot, mevcut bir tasarımdaki silisyum hızlı kurtarma diyotunun yerini doğrudan alabilir mi?

C: Elektriksel olarak bacak uyumlu bir yedek olabilir, ancak bir tasarım incelemesi zorunludur. Daha hızlı anahtarlama, devre parazitikleri nedeniyle gerilim aşımlarını şiddetlendirebilir. Termal performans da farklı olacaktır. Snubber değerleri ve soğutma yeniden değerlendirilmelidir.

S: Kasa neden katoda bağlı? Bu izolasyon gerektirir mi?

C: Evet, metal taban plakası elektriksel olarak canlıdır (katot potansiyelindedir). Bağlandığı PCB pad'i katot ağında olmalıdır. Taban plakası harici bir soğutucuya takılırsa, o soğutucu diğer potansiyellerden veya sistem şasisinden elektriksel olarak izole edilmelidir; şasi de katot potansiyelinde değilse.

S: Aşırı akım derecesi (IFSM) nasıl uygulanır?

C: 26A'lık IFSM derecesi (10ms, yarım sinüs), başlangıç ani akımı veya arıza temizleme gibi tekrarlanmayan olaylar içindir. Sürekli akım kapasitesini hesaplamak için kullanılmamalıdır. Diğer darbe süreleri için "IFSM – PW" eğrisine başvurulmalıdır.

S: Kapasitans Depolanmış Enerji (EC) parametresinin önemi nedir?

C: LLC rezonans dönüştürücüler gibi uygulamalarda, diyotun çıkış kapasitansı (Coss) her anahtarlama döngüsünde boşalır ve kayba neden olur. EC bu kaybı nicelendirir. Daha düşük EC, daha düşük kapasitif anahtarlama kaybı anlamına gelir.

9. Pratik Tasarım Vaka Çalışması

Senaryo: Bir sunucu güç kaynağı için 1kW, 80 Plus Titanium verimlilikli bir PFC aşaması tasarlamak.

Tasarım, 100kHz'de anahtarlayan çapraz kritik iletim modu (CrM) topolojisi kullanır. Her faz 500W işler. Yükseltici diyot, 400VDC'ye kadar bloke etmeli ve yaklaşık 10A tepe akımı taşımalıdır. Başlangıçta bir silisyum ultra hızlı diyot düşünülmüştü ancak yüksek hat geriliminde faz başına kurtarma ile ilişkili 5W'dan fazla kayba sahip olacağı hesaplanmıştı.

Bu 650V SiC Schottky diyotu ile değiştirilerek, kurtarma kaybı ortadan kaldırılır. Kalan kayıplar öncelikle iletim kaybı (VF ve RMS akımına dayalı) ve küçük bir kapasitif kayıptır (EC'ye dayalı). RθJC=3.6°C/W ve tasarlanan maksimum Tj=125°C kullanılarak yapılan termal hesaplama, diyot eklem sıcaklık artışının, PCB bakır alanı birincil soğutucu olarak kullanıldığında yönetilebilir olduğunu gösterir. Bu değişiklik, Titanium standardı için 230VAC girişinde >%96 verimlilik gereksinimini karşılamaya doğrudan katkıda bulunurken, aynı zamanda yüksek, temiz anahtarlama frekansı nedeniyle manyetik bileşenlerin daha küçük olmasına da olanak tanır.

10. Çalışma Prensibi

Bir Schottky diyotu, standart bir diyotun p-n yarı iletken ekleminin aksine, bir metal-yarı iletken eklemi ile oluşturulur. Bu SiC Schottky diyotunda, n-tipi Silisyum Karbüre bir metal kontak yapılır. Bu, metal (anot) yarı iletkene (katot) göre pozitif öngerilim uygulandığında akımın ileri yönde kolayca akmasına izin veren bir Schottky bariyeri oluşturur. Ters öngerilimde, bariyer genişler ve akım akışını engeller.

Kritik fark, akım taşınımının çoğunluk taşıyıcılar (n-tipi SiC'de elektronlar) tarafından domine edilmesidir. Bir PN eklem diyotunda olduğu gibi azınlık taşıyıcıların (delikler) enjeksiyonu, depolanması ve sonraki uzaklaştırılması yoktur. Bu nedenle, diyot ileri iletimden ters blokaja anahtarladığında, ters kurtarma akım aşımı veya ilişkili gecikme süresi yoktur. Diyot, neredeyse anında kapanır; sadece eklem kapasitansının şarjı ile sınırlıdır. Bu temel prensip, yüksek hızlı anahtarlama performansının ve düşük anahtarlama kayıplarının kaynağıdır.

11. Teknoloji Trendleri

Silisyum Karbür güç cihazları, güç elektroniğinde önemli bir trendi temsil eder; silisyum tabanlı cihazlardan daha yüksek verimlilik, güç yoğunluğu ve çalışma sıcaklıkları sağlar. Diyotlar için evrim, daha yüksek gerilim derecelerine (şimdi yaygın olarak 650V ve 1200V, 1700V ve 3300V ortaya çıkıyor), daha düşük ileri yön gerilim düşüşlerine ve azaltılmış kapasitansa doğrudur. Burada kullanılan TO-252-3L (DPAK) paketi, yüzey montaj güç için bir iş atıdır, ancak en yüksek performans uygulamaları için TOLL (TO-leadless) ve D2PAK-7L gibi daha düşük endüktanslı, daha iyi termal performanslı paketlere doğru paralel bir trend vardır. Entegrasyon başka bir trenddir; birlikte paketlenmiş SiC MOSFET ve Schottky diyot "yarım köprü" modülleri, anahtarlama hücrelerinde parazitik endüktansı en aza indirmek için mevcut hale gelmektedir. SiC substratlarının maliyetindeki devam eden düşüş, bu teknolojiyi premium sunucu ve telekom güç kaynaklarının ötesinde, otomotiv araç içi şarj cihazları, endüstriyel motor sürücüleri ve daha yüksek verimlilik standartları arayan tüketici cihazları dahil olmak üzere daha geniş bir uygulama yelpazesi için erişilebilir kılmaktadır.