TO-252-3L Silisyum Karbür Schottky Diyot Veri Sayfası - 650V, 8A, 1.5V, 175°C - Teknik Doküman

1. Ürün Genel Bakışı

Bu belge, TO-252-3L (DPAK) yüzey montaj paketi kullanan yüksek performanslı bir silisyum karbür Schottky bariyer diyotunun spesifikasyonlarını ayrıntılı olarak açıklamaktadır. Bu cihaz, yüksek verimlilik, yüksek termal performans ve yüksek anahtarlama hızının kritik öneme sahip olduğu yüksek voltajlı, yüksek frekanslı güç dönüştürme uygulamaları için tasarlanmıştır. Temel teknolojisi, silisyum karbürün üstün malzeme özelliklerinden yararlanarak, geleneksel silisyum tabanlı diyotlara kıyasla daha yüksek sıcaklıklarda, daha yüksek voltajlarda ve daha yüksek anahtarlama frekanslarında çalışabilme yeteneği sağlar.

Bu bileşenin temel konumlandırması, gelişmiş güç topolojilerinde bir doğrultucu veya serbest döngü diyotu olarak kullanılmaktır. Doğal özellikleri, onu kayıpları en aza indirmeyi, pasif bileşenleri ve soğutucu boyutlarını küçültmeyi amaçlayan modern yüksek yoğunluklu güç tasarımları için ideal bir seçim haline getirir.

2. Derinlemesine Teknik Parametre Analizi

2.1 Elektriksel Özellikler

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

• Tekrarlanan Tepe Ters Gerilim (VRRM):650V. Bu, diyodun tekrar tekrar dayanabileceği maksimum anlık ters gerilimdir. Bileşenin voltaj derecesini tanımlar ve güç faktörü düzeltme veya doğrultulmuş şebeke voltajıyla beslenen inverter köprüleri gibi devrelerde diyot seçimi için kritik öneme sahiptir.
• Sürekli İleri Akım (IF):Kasa sıcaklığı 135°C'de 8A'dır. Bu derecelendirme, diyodun sürekli iletim durumundaki akım taşıma kapasitesini temsil eder ve ısı dağıtım yeteneği ile sınırlıdır. Yüksek kasa sıcaklığındaki spesifikasyonu, güçlü termal performansını vurgular.
• İleri Voltaj (VF):8A akım, 25°C jonksiyon sıcaklığında tipik değer 1.5V, maksimum değer 1.85V'dir. Bu parametre, iletim kayıplarını doğrudan etkiler. Silisyum karbür cihazlar için nispeten düşük VF, sistem verimliliğini artırmaya yardımcı olur. Lütfen dikkat: VF negatif bir sıcaklık katsayısına sahiptir, bu da jonksiyon sıcaklığı arttıkça düşeceği anlamına gelir; bu bir Schottky diyot özelliğidir.
• Ters Akım (IR):520V, 25°C'de maksimum 40 µA. Yüksek ters gerilim ve yüksek sıcaklıklarda bile (maksimum 20 µA @ 175°C) kaçak akımı son derece düşüktür, böylece kapalı durum kayıpları en aza indirilir.
• Toplam Kapasitans Yükü (QC):400V'da tipik değer 12 nC'dir. Bu, anahtarlama performansının önemli bir kalite faktörüdür. Daha düşük QC, her anahtarlama döngüsünde hareket ettirilmesi gereken yükün daha az olduğu anlamına gelir, bu da anahtarlama kayıplarını azaltır ve daha yüksek frekanslarda çalışmayı destekler.

2.2 Maksimum Değerler ve Termal Özellikler

Bu parametreler, güvenli çalışmanın mutlak sınırlarını ve cihazın ısı dağıtım yönetim kapasitesini tanımlar.

• Dalga Tekrarlanmayan İleri Akım (IFSM):10 ms yarım sinüs dalgası için 14.4A'dır. Bu değer, kısa devre olaylarına, dalga akımlarına veya diğer geçici aşırı yük koşullarına dayanabilmek için kritik öneme sahiptir.
• Kavşak Sıcaklığı (TJ):Maksimum 175°C. Yüksek maksimum çalışma sıcaklığı, silisyum karbür malzemesinin doğrudan bir avantajıdır; zorlu ortamlarda çalışmaya izin verir veya daha yüksek güç yoğunluğuna sahip daha kompakt tasarımların gerçekleştirilmesini sağlar.
• Termal direnç, bağlantı noktasından gövdeye (RθJC):Tipik değer 3.7 °C/W'dir. Düşük termal direnç, yarı iletken bağlantı noktasından paket gövdesine ısı transferinin verimli olduğunu gösterir. Bu, belirli bir güç tüketimi altında bağlantı noktası sıcaklığının ne kadar artacağını belirlediği için, termal yönetim tasarımının kilit bir parametresidir. Düşük RθJC, daha yüksek güç işleme kapasitesine veya daha küçük soğutucu kullanımına olanak tanır.
• Toplam güç tüketimi (PD):40W. Bu, termal direnç ve maksimum bağlantı sıcaklığı ile sınırlanan, cihazın dağıtabileceği maksimum güçtür.

3. Performans Eğrisi Analizi

Veri sayfası, detaylı tasarım ve simülasyon için kritik öneme sahip çok sayıda karakteristik eğri içerir.

3.1 İleri Yön Karakteristiği (VF-IF)

Bu grafik, farklı eklem sıcaklıklarında ileri yön gerilim düşümünün ileri yön akımına karşı ilişkisini çizmektedir. Tasarımcılar, farklı çalışma koşullarındaki iletim kayıplarını hassas bir şekilde hesaplamak için bu grafiği kullanır. Eğriler tipik bir üstel ilişki gösterecek olup, belirli bir akımda sıcaklık arttıkça gerilim düşümü daha düşük olacaktır.

3.2 Ters Yön Karakteristiği (VR-IR)

Bu eğri, uygulanan ters voltaja bağlı olarak ters kaçak akımın değişim ilişkisini göstermektedir. Tabloda tüm çalışma voltajı aralığı boyunca belirtilen düşük kaçak akımı doğrulamaktadır.

3.3 Kapasitans Karakteristiği (VR-Ct)

Bu grafik, eklem kapasitansının ters gerilimle değişimini göstermektedir. Kapasitans, ters gerilim arttıkça doğrusal olmayan bir şekilde azalır. Depolanan yük, kapasitenin gerilime integrali olduğundan, bu bilgi anahtarlama davranışını tahmin etmek için çok önemlidir. Kapasitenin gerilimle azalması, yüksek gerilim anahtarları için avantajlı bir özelliktir.

3.4 Dalga Akımı Derecelendirmesi (IFSM – PW)

Bu özellik, izin verilen dalgalanma akımının darbe genişliğinin artmasıyla nasıl azaldığını göstermektedir. Koruma devrelerinin tasarımına veya standart 10ms değerinin ötesindeki arıza koşullarına dayanıklılığın değerlendirilmesine rehberlik sağlar.

3.5 Geçici Termal Empedans (ZθJC)

Bu eğri, darbe gücü koşulları altındaki termal performansı değerlendirmek için çok önemlidir. Farklı sürelerdeki tek bir darbe için, jonksiyondan kılıfa olan etkin termal direnci gösterir. Kısa darbeler için, termal empedans kararlı durum RθJC değerinden çok daha düşüktür, bu da jonksiyonun aşırı ısınma olmadan daha yüksek anlık güce dayanabileceği anlamına gelir. Bu, yüksek tepe akımına sahip uygulamalar için çok önemlidir.

4. Mekanik ve Paketleme Bilgisi

4.1 Paket Şekli ve Boyutları

Bu cihaz, endüstri standardı TO-252-3L yüzey montaj paketini kullanır. Veri sayfasındaki kritik boyutlar şunları içerir:

• Paket gövde uzunluğu (D): 6.10 mm (tipik)
• Paket gövde genişliği (E): 6.60 mm (tipik)
• Toplam Yükseklik (H): 9.84 mm (Tipik)
• Bacak Aralığı (e1): 2.28 mm (Temel)
• Bacak Uzunluğu (L): 1.52 mm (Tipik)

Doğru PCB lehim pedi tasarımı ve montaj boşluğu sağlamak için tüm kritik boyutların minimum, tipik ve maksimum değerlerini içeren detaylı mekanik çizimler sağlanmıştır.

4.2 Bacak Yapılandırması ve Polarite

TO-252-3L paketinin üç bağlantı noktası vardır: iki pin ve açıkta metal soğutucu.

• Pin 1:Katot (K)
• Pin 2:Anot (A)
• Kasa (Radyatör):Katot (K) ile Bağlantı:

Önemli Not:Kasa, katot ile elektriksel olarak bağlantılıdır. Bu durum, beklenmeyen kısa devreleri önlemek için PCB düzeninde dikkate alınmalıdır. Soğutucu radyatör, ana ısı dağıtım yolu olup, PCB üzerinde uygun boyuttaki bakır pedlere lehimlenmelidir.

4.3 Önerilen PCB Lehim Pedi Yerleşimi

Önerilen yüzey montaj lehim pedi yerleşimini içerir. Bu yerleşim, lehim bağlantı güvenilirliği ve termal performans için optimize edilmiştir. Genellikle, ısının PCB bakır katmanına maksimum transferi için büyük bir merkezi ısı emici pedi ve anot ve katot bacakları için iki daha küçük ped içerir. Bu öneriye uymak, doğru lehim menisküsü oluşumuna yardımcı olur ve termal stresi en aza indirir.

5. Lehimleme ve Montaj Kılavuzu

Bu alıntı spesifik bir yeniden akış lehimleme eğrisi detaylandırmasa da, TO-252 paketli yüzey montaj cihazları için genel kılavuzlar geçerliliğini korumaktadır.

• Yeniden Akış Lehimleme:Genellikle, 260°C'yi aşmayan standart kurşunsuz reflow lehimleme profili uygundur. Soğutucu levhanın yüksek ısıl kapasitesi nedeniyle, tüm lehim noktalarının uygun reflow sıcaklığına ulaşmasını sağlamak için profilin dikkatlice ayarlanması gerekebilir.
• İşlem:Tüm yarı iletken cihazlarda olduğu gibi, standart elektrostatik deşarj önlemlerine uyulmalıdır.
• Depolama:Cihazlar kuru, kontrollü bir ortamda depolanmalıdır. Belirtilen depolama sıcaklık aralığı -55°C ile +175°C arasındadır.

6. Uygulama Önerileri

6.1 Tipik Uygulama Devresi

• PFC Katındaki Yükseltici Diyot:Hızlı anahtarlama ve düşük QC özellikleri, yüksek frekanslardaki anahtarlama kayıplarını en aza indirerek PFC verimliliğini artırır. Yüksek VRRM, evrensel giriş tasarımları için uygundur.
• LLC Rezonans Dönüştürücüdeki Çıkış Doğrultucusu:Sıfır ters kurtarma özelliği, ters kurtarma kayıplarını ortadan kaldırır; bu, yüksek frekanslı rezonans topolojilerinde daha düşük sıcaklıkta çalışma ve daha yüksek verimlilik sağlayan temel bir avantajdır.
• Motor Sürücüler ve İnvertörlerde Serbest Dolaşım/Kelepçe Diyotu:Anahtarlama MOSFET veya IGBT ile paralel olarak kullanılır, endüktif yük akımı için bir yol sağlar. Hızlı anahtarlama, gerilim sivrilerini önler ve ana anahtar üzerindeki gerilimi azaltır.
• Güneş Enerjisi Mikro İnvertörleri ve String İnvertörleri:Açık hava ortamlarındaki yüksek verimliliği ve yüksek sıcaklık çalışma kabiliyeti sayesinde fayda sağlar.
• Yüksek Yoğunluklu AC/DC ve DC/DC Dönüştürücüler:Yüksek frekans yeteneği ve yüksek sıcaklık derecelendirmesinin birleşimi, daha küçük manyetik bileşenler ve soğutucular kullanılmasına olanak tanıyarak güç yoğunluğunu artırır.

6.2 Tasarım Hususları

• Termal Yönetim:Düşük RθJC'sine rağmen, uygun ısı dağıtımı çok önemlidir. Isı emici için PCB pedi, akım ve güç derecelendirmelerinden tam olarak yararlanmak için büyük bir bakır düzleme veya harici bir soğutucuya bağlanmalıdır. Ped altındaki termal viyalar, ısının iç katmanlara veya alt katmana aktarılmasına yardımcı olur.
• Paralel Bağlı Cihazlar:Veri sayfası, "paralel bağlı cihazlarda termal kaçak olmaması" avantajından bahseder. Bu, silisyum karbür Schottky diyotların ileri voltajının pozitif sıcaklık katsayısından kaynaklanır. Bir cihaz ısındığında, VF'si hafifçe artar, bu da akımın daha soğuk paralel cihazlara daha eşit şekilde dağılmasını sağlayarak kararlı bir akım paylaşımını teşvik eder.
• Snubber Devresi:Diyotun kendisi çok hızlı olsa da, devre parazitik parametreleri yine de kapanma sırasında voltaj aşımına neden olabilir. Bazı yüksek di/dt uygulamalarında, bu sivri uçları bastırmak ve diyotu ve diğer bileşenleri korumak için bir snubber devresi gerekli olabilir.
• Kapı Sürücü Hususları:Bu diyotun hızlı anahtarlama özelliği, yüksek di/dt ve dv/dt'ye yol açabilir. Bu, Miller etkisinden kaynaklanan yanlış tetikleme gibi sorunlardan kaçınmak için, eşlik eden MOSFET/IGBT'nin kapı sürücü tasarımına dikkat edilmesini gerektirebilir.

7. Teknik Karşılaştırma ve Avantajlar

Standart silikon hızlı kurtarma diyotları ve hatta SiC MOSFET gövde diyotları ile karşılaştırıldığında, bu SiC Schottky diyot belirgin avantajlara sahiptir:

• Sıfır ters kurtarma akımı:Bu, silisyum PN eklem diyotlarına kıyasla en belirgin avantajıdır. Ters kurtarma kayıplarını ve ilişkili anahtarlama gürültüsünü tamamen ortadan kaldırarak daha yüksek verimlilik ve frekans sağlar.
• Erken dönem silisyum karbür diyotlara kıyasla daha düşük ileri yönlü voltaj düşüşü:Modern silisyum karbür Schottky diyotlar, tüm yüksek hız ve yüksek sıcaklık avantajlarını korurken, VF'yi önemli ölçüde düşürerek silisyum diyotlarla olan farkı azaltmıştır.
• Daha yüksek çalışma sıcaklığı:Maksimum jonksiyon sıcaklığı 175°C'dir, oysa silikon cihazlar için bu genellikle 150°C'dir; bu da yüksek sıcaklık ortamlarında daha fazla tasarım payı ve güvenilirlik sağlar.
• Üstün aşırı gerilim kapasitesi:Boyutlarına kıyasla iyi bir IFSM değeri sunarak sağlamlık sağlar.
• Silisyum karbür MOSFET gövde diyotu ile karşılaştırma:Silisyum karbür MOSFET'in gövde diyotu da ters toparlanma özellikleri zayıf bir PIN diyot olsa da, sert anahtarlamalı devrelerde genellikle gövde diyotunun kayıplarından kaçınmak için bağımsız bir silisyum karbür Schottky diyot, serbest dolaşım diyotu olarak tercih edilir.

8. Sıkça Sorulan Sorular

Soru: "Sıfır Ters Kurtarma" tasarımım için pratikte ne anlama geliyor?
Cevap: Bu, verimlilik hesaplamalarınızda ters kurtarma kayıplarını göz ardı edebileceğiniz anlamına gelir. Ayrıca tampon devre tasarımını basitleştirir ve diyot kapanması sırasında üretilen elektromanyetik paraziti azaltır.

Soru: Kasa katoda bağlıdır. Yalıtım gerekiyorsa ne yapmalıyım?
Cevap: Elektriksel izolasyon, diyot soğutucu ile ısı emici arasında yalıtkan bir termal ped ve yalıtkan omuzlu pul kullanılmasını gerektirir. Bu, termal direnci artırır, bu nedenle denge hesaplanmalıdır.

Soru: Tam anma değeri olan 8A akımını sürekli kullanabilir miyim?
Cevap: Yalnızca kasa sıcaklığını 135°C veya altında tutabiliyorsanız mümkündür. Termal tasarım daha yüksek bir kasa sıcaklığına yol açarsa, gerçek sürekli akım düşecektir. Belirli bir soğutucu ve ortam koşullarında izin verilen maksimum güç kaybını hesaplamak için güç tüketimi ve termal direnci kullanın, ardından akımı VF eğrisinden türetin.

Soru: QC parametresi neden önemlidir?
Cevap: QC, diyot bağlantı kapasitansında depolanan enerjiyi temsil eder. Devredeki anahtarlama transistörünün iletim süresi boyunca bu yükün uzaklaştırılması gerekir, bu da akım sivri uçlarına yol açar. Daha düşük bir QC bu sivri ucu azaltarak, anahtarlama transistörünün anahtarlama kayıplarını düşürür ve her iki bileşenin üzerindeki stresi hafifletir.

9. Gerçek Tasarım Vaka Analizleri

Senaryo:500W gücünde, 80Plus Titanium verimlilik standardına uygun bir sunucu güç kaynağı tasarlayın. PFC aşaması, köprüsüz totem direk topolojisi kullanmalı ve 100 kHz çalışma frekansında çalışmalıdır.

Zorluk:Geleneksel silikon ultra hızlı diyotlar, 100 kHz'deki PFC yükseltme konumunda önemli ters kurtarma kayıpları sergiler, bu da verimliliği sınırlar ve termal yönetim sorunlarına yol açar.

Çözüm:Yükseltme diyotu olarak 650V silikon karbür Schottky diyot kullanımı.

Uygulama ve Sonuçlar:
1. Diyot standart yükseltici diyot konumuna yerleştirilir. 2. Sıfır ters kurtarma özelliği sayesinde, anahtarlama kapatma kayıpları neredeyse tamamen ortadan kaldırılır. 3. Düşük QC, tamamlayıcı MOSFET'in iletim kayıplarını azaltır. 4. 175°C'ye kadar olan derecelendirilmiş sıcaklık, diğer ısı yayan bileşenlerin yakınına yerleştirilmesine izin verir.
Sıfır ters kurtarma özelliği sayesinde, kapanma anahtarlama kaybı neredeyse tamamen ortadan kalkar.
. Düşük Qc, tamamlayıcı MOSFET'in açılma kaybını azaltır.
175°C yüksek sıcaklık derecesi, diğer sıcak bileşenlerin yakınına yerleştirilmesine olanak tanır.
5. Sonuç:En iyi silikon alternatifiyle karşılaştırıldığında, ölçülen PFC aşaması tam yük verimliliği yaklaşık %0.7 artmıştır. Bu, katı Titanyum verimlilik standardını karşılamaya doğrudan katkıda bulunur. Ayrıca, diyot çalışma sıcaklığı daha düşüktür, bu da daha kompakt bir yerleşime veya daha düşük hava akışı gereksinimine izin vererek güç yoğunluğunu artırır.

10. Çalışma Prensibi

Schottky diyotları, yarı iletken-yarı iletken bağlantı kullanan standart PN bağlantı diyotlarından farklı olarak, metal-yarı iletken bağlantısından oluşur. Silisyum karbür Schottky diyotlarında yarı iletken, silisyum karbürdür. Metal-SiC bağlantısı bir Schottky bariyeri oluşturur ve yalnızca çoğunluk taşıyıcılarının iletkenliğine izin verir. Bu, hem çoğunluk hem de azınlık taşıyıcılarını içeren PN diyotlarıyla tezat oluşturur.

Ters kurtarma eksikliğinin temel nedeni, azınlık taşıyıcı enjeksiyonu ve depolanmasının olmamasıdır. Schottky diyotunun uçlarındaki voltaj ters çevrildiğinde, sürüklenme bölgesinden temizlenmesi gereken depolanmış azınlık taşıyıcı yükü yoktur; taşıyıcılar bağlantı bölgesinden tükendiğinde, akım neredeyse anında durur. Bu, "sıfır ters kurtarma" özelliğini ortaya çıkarır. Hızlı anahtarlama, bu tek kutuplu iletim mekanizmasının doğrudan bir sonucudur.

11. Teknoloji Trendleri

Silisyum karbür güç cihazları, güç elektroniğinin tüm alanlarında daha yüksek verimlilik, daha yüksek frekans ve daha yüksek güç yoğunluğuna doğru gelişim eğilimini sağlayan kilit bir teknolojidir. Silisyum karbür diyot pazarı aşağıdaki faktörler tarafından yönlendirilmektedir:

• Elektrikli Araçlar:Daha hızlı araç içi şarj cihazları, daha verimli DC-DC dönüştürücüler ve daha yüksek anahtarlama frekansına sahip çekiş invertörlerine olan talep.
• Yenilenebilir Enerji:Güneş ve rüzgar invertörleri, daha yüksek verimlilik (artan enerji üretimi) ve daha yüksek sıcaklık kapasitesinden (açık hava kurulumlarında güvenilirliğin artması) fayda sağlar.
• Veri Merkezi ve Telekomünikasyon:Daha yüksek verimlilik ve daha yüksek raf güç yoğunluğu arayışı, sunucu güç kaynakları ve doğrultucularda silisyum karbür diyotlar gibi gelişmiş bileşenlerin kullanılmasını gerektirir.
• Endüstriyel Motor Sürücüleri:Daha yüksek kontrol bant genişliği ve verimlilik arayışı.

Silisyum karbür Schottky diyotlarına özgü eğilimler şunlardır: daha düşük iletim gerilimi düşüşü, daha yüksek akım yoğunluğu ve üretim ölçeği ile proses olgunluğu sayesinde güvenilirliğin artırılması ve maliyetlerin düşürülmesi. Silisyum karbür MOSFET'lerle çoklu çip modüllerinde entegrasyon da giderek artan bir eğilimdir.