TO-247-2L封装 650V 8A 碳化硅肖特基二极管数据手册 - 尺寸16.26x20.0x4.7mm - 电压650V - 电流8A - 中文技术文档

1. 产品概述

本文档详细阐述了一款采用TO-247-2L封装的高性能碳化硅肖特基势垒二极管的规格。该器件专为在严苛的功率转换应用中提供卓越的效率和可靠性而设计。其核心功能是提供单向电流导通，同时具有极低的开关损耗和反向恢复电荷，这是相较于传统硅基二极管的显著优势。

该二极管主要定位于现代高频、高效率的电源系统。其核心优势源于碳化硅固有的材料特性，使其能够在比硅更高的温度、电压和开关频率下工作。目标市场多样，涵盖对能效、功率密度和热管理要求苛刻的行业，包括工业电机驱动、太阳能逆变器等可再生能源系统、数据中心电源以及不间断电源。

2. 深入技术参数分析

2.1 电气特性

电气参数定义了二极管在特定条件下的工作边界和性能。

• 重复峰值反向电压：650V。这是可以重复施加的最大瞬时反向电压。它定义了器件的电压额定值，对于为给定母线电压选择二极管至关重要，通常需要留有安全裕量。
• 连续正向电流：8A。这是二极管可以连续导通的最大平均正向电流，受限于最高结温和热阻。该8A值是在壳温为25°C的条件下规定的。在实际应用中，需要根据实际工作温度进行降额。
• 正向电压：在8A电流和25°C结温下，典型值为1.5V，最大值为1.85V。该参数对于计算导通损耗至关重要。低VF是碳化硅肖特基技术的关键优势，直接有助于提高系统效率。请注意，VF具有负温度系数，这意味着它会随着温度升高而略微降低，这有助于防止并联配置中的热失控。
• 反向电流：在520V反向电压和25°C结温下，典型值为2µA。这是二极管反向偏置时的漏电流。低漏电流可最大限度地减少关断状态下的功率损耗。
• 总电容电荷：在VR=400V时，典型值为12 nC。这是高频开关应用中的一个关键参数。QC代表与二极管结电容相关的电荷，在每个开关周期中必须被转移。低QC值直接转化为更低的开关损耗，从而实现更高频率的工作。
• 浪涌非重复正向电流：29A。这是短时间内允许的最大非重复峰值电流。它表明了器件承受浪涌或故障电流的能力，例如在启动或负载瞬变期间遇到的电流。

2.2 热特性

热管理对于可靠性和性能至关重要。

• 最高结温：175°C。这是半导体结可以承受的绝对最高温度。在此极限或接近此极限下连续工作将显著缩短器件的使用寿命。
• 结到壳热阻：典型值为1.9 °C/W。该参数量化了半导体芯片与封装外壳之间的热阻抗。较低的值表示从芯片到散热器的热传递更好。总结温升高可计算为 ΔTJ = PD * RθJC，其中PD是二极管中耗散的功率。
• 总功耗：在TC=25°C时为42W。这是在指定测试条件下器件可以耗散的最大功率。实际上，允许的功耗会随着壳温的升高而降低。

3. 性能曲线分析

数据手册提供了几条对设计和分析至关重要的特性曲线。

3.1 VF-IF特性曲线

该图绘制了正向电压与正向电流的关系。它显示了非线性关系，通常从拐点电压开始，然后近似线性增加。设计人员使用此曲线来精确确定特定工作电流下的导通损耗，这比使用单个典型VF值更精确。

3.2 VR-IR特性曲线

该曲线说明了反向漏电流随施加的反向电压变化的关系。它展示了漏电流如何随反向电压和结温的增加而增加。这对于估算关断状态损耗至关重要，尤其是在高压应用中。

3.3 VR-Ct特性曲线

此图显示了二极管的总电容随反向电压的变化。结电容具有高度非线性，随着反向电压的增加而显著减小。这种非线性电容是计算开关行为和QC参数的关键因素。

3.4 最大正向电流与壳温关系曲线

这条降额曲线显示了最大允许连续正向电流如何随着壳温的升高而降低。它是散热器设计的基本指南，确保在所有工作条件下结温不超过其最大额定值。

3.5 瞬态热阻抗曲线

该曲线绘制了瞬态热阻与脉冲宽度的关系。对于评估短时功率脉冲期间的结温升高至关重要，例如在开关事件或浪涌条件下发生的脉冲。封装的热质量导致对于非常短的脉冲，有效热阻较低。

4. 机械与封装信息

4.1 封装外形与尺寸

该器件采用行业标准的TO-247-2L封装。外形图中的关键尺寸包括：封装总长度约20.0毫米，宽度16.26毫米，高度4.7毫米。引线具有特定的厚度和间距，以确保与标准PCB布局和散热器安装孔的兼容性。

4.2 引脚配置与极性标识

TO-247-2L封装有两个引脚。引脚1标识为阴极，引脚2为阳极。重要的是，封装的金属散热片或外壳与阴极电气连接。在安装过程中必须仔细考虑这一点，如果散热器电位与阴极不同，则需确保适当的电气隔离。手册提供了推荐的PCB焊盘布局，以确保在使用表面贴装引线形式时获得可靠的焊接和热性能。

5. 安装与组装指南

正确的安装对于性能和可靠性至关重要。

• 安装扭矩：固定螺丝的推荐安装扭矩为8.8 N·cm。施加正确的扭矩可确保封装外壳与散热器之间获得最佳的热接触，同时不会损坏封装。
• 热界面材料：必须在二极管外壳和散热器之间使用合适的热脂或导热垫，以填充微观气隙并最小化热阻。
• 电气隔离：由于外壳连接到阴极，如果散热器处于不同电位，则需要使用电绝缘但导热的垫片。该垫片的绝缘电压额定值必须超过系统的工作电压。
• 存储条件：器件应在-55°C至+175°C的温度范围内，在干燥、无腐蚀性的环境中储存。

6. 应用建议

6.1 典型应用电路

这款碳化硅肖特基二极管非常适合以下几种关键的电力电子电路：

• 功率因数校正：用于开关电源的升压转换器级。其快速开关和低QC值可降低高频下的开关损耗，提高PFC级效率。
• 太阳能逆变器DC-AC级：用于逆变桥或作为续流二极管。其高电压额定值和高效率有助于提高逆变器的整体效率，这对太阳能发电量至关重要。
• 不间断电源：用于整流器/充电器和逆变器部分。其高浪涌能力有助于处理电池充电电流和输出负载瞬变。
• 电机驱动逆变器：作为输出桥中绝缘栅双极型晶体管或MOSFET两端的续流二极管。由于没有反向恢复电荷，消除了反向恢复损耗和相关电压尖峰，从而实现更平滑的开关并减少电磁干扰。

6.2 设计注意事项

• 缓冲电路：由于开关速度极快且基本没有反向恢复，与硅PN结二极管相比，用于控制di/dt或dv/dt的缓冲电路可以简化甚至不需要。然而，布局引起的寄生电感仍可能导致电压过冲，必须通过紧凑的PCB布局将其最小化。
• 并联运行：VF的负温度系数使得这些二极管天生适合并联运行以增加电流处理能力。当一个二极管发热时，其VF降低，导致其分担更多电流，这促进了电流平衡而非热失控。不过，仍然建议注意对称布局和热耦合。
• 散热器尺寸确定：使用功耗、RθJC和降额曲线来精确确定散热器尺寸。目标是将结温保持在远低于175°C的水平，以确保长期可靠性。

7. 技术对比与优势

与标准硅快恢复二极管甚至硅PN二极管相比，这款碳化硅肖特基二极管具有显著优势：

• 基本为零的反向恢复：肖特基势垒是多数载流子器件，而PN结是少数载流子器件。这消除了存储电荷以及相关的反向恢复时间和电流。这是最显著的优势，可大幅降低开关损耗。
• 更高的工作温度：碳化硅更宽的带隙允许更高的最高结温，提供了更大的设计裕量或允许使用更小的散热器。
• 更高的开关频率：低QC和无反向恢复的结合使得在更高频率下也能高效工作。这允许使用更小的无源元件，从而提高功率密度。
• 更低的正向压降：在典型工作电流下，碳化硅肖特基二极管的正向压降通常与高压硅快恢复二极管相当或更低，从而降低了导通损耗。
• 权衡：历史上主要的权衡是成本，尽管碳化硅器件的价格已显著下降。此外，肖特基二极管的反向漏电流通常高于PN二极管，并且随温度升高而急剧增加，这在极高温度应用中是需要考虑的因素。

8. 常见问题解答

Q1: "基本没有开关损耗"在实践中意味着什么？

A1: 这意味着二极管中主要的开关损耗机制——反向恢复损耗——可以忽略不计。然而，由于结电容的充放电，仍然会产生损耗。这些电容性损耗通常远小于硅二极管的反向恢复损耗，尤其是在高频下。

Q2: 如何为这款二极管选择散热器？

A2: 首先，计算最坏情况下的功耗：PD = (VF * IF_avg) + (VR * IR_avg)。使用您预期工作结温下的VF和IR值。然后，确定您的目标最高结温。所需散热器的热阻可以通过公式计算得出。

Q3: 我可以在现有电路中直接用这款二极管替换硅二极管吗？

A3: 并非总是可以直接替换。虽然引脚排列和封装可能兼容，但更快的开关速度可能因电路寄生电感而导致更高的电压尖峰。相关开关晶体管的栅极驱动或控制可能需要调整。较低的正向电压也可能略微改变电路行为。建议进行全面的设计审查。

Q4: 为什么外壳连接到阴极？

A4: 这在功率封装中很常见。它允许将极利于散热的金属散热片用作电气连接。这降低了阴极路径中的寄生电感，有利于高速开关。如果散热器电位与阴极不同，则需要仔细隔离。

9. 实际设计案例研究

场景：设计一个1.5kW升压PFC级。

假设输入电压范围为85-265VAC，输出电压为400VDC，开关频率为100kHz。升压二极管必须阻断400V电压并承载电感电流。计算显示峰值电流约为10A，二极管平均电流约为4A。



如果使用反向恢复时间为50ns、QC为30nC的硅超快恢复二极管，在100kHz下会产生显著的反向恢复损耗。通过选择这款碳化硅肖特基二极管，二极管中的开关损耗降低到仅剩电容性损耗。这直接将效率提高了0.5-1.5%，减少了发热，并可能允许使用更小的散热器或在更高的环境温度下工作。由于没有反向恢复电流尖峰，该设计还受益于更低的电磁干扰。

10. 工作原理

肖特基二极管由金属-半导体结形成，不同于使用半导体-半导体结的标准PN结二极管。在碳化硅肖特基二极管中，金属沉积在碳化硅上。这形成了一个肖特基势垒，当施加小电压时，允许电流在正向自由流动。在反向，势垒阻止电流流动。由于导电仅依赖于多数载流子，没有少数载流子的注入和存储。因此，当电压反向时，没有存储电荷需要移除，从而产生近乎瞬时的关断特性和无反向恢复现象。

11. 技术趋势

碳化硅功率器件，包括肖特基二极管和MOSFET，代表了电力电子向更高效率、频率和功率密度发展的主要趋势。市场正从600-650V器件转向用于工业和汽车应用的1200V和1700V额定电压器件。将碳化硅二极管与碳化硅MOSFET集成在模块中，以构建完整的高性能功率级正变得越来越普遍。碳化硅材料质量和制造工艺的持续改进正在推动成本下降并提高器件可靠性，使得碳化硅技术成为中高功率、性能关键型新设计的首选。