TO-220-2L 封裝 650V SiC 蕭特基二極體 EL-SAF01 665JA 規格書 - 尺寸 15.6x9.99x4.5mm - 電壓 650V - 電流 16A - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

EL-SAF01 665JA 是一款專為高效率、高頻率功率轉換應用而設計的碳化矽 (SiC) 蕭特基障壁二極體。此元件採用標準 TO-220-2L 封裝，利用碳化矽優越的材料特性，提供顯著超越傳統矽基二極體的性能表現。其核心功能是提供單向電流流動，並具有極低的切換損耗與反向恢復電荷，使其成為對效率和功率密度要求嚴苛的現代電源供應器與逆變器的理想選擇。

此元件的主要市場包括從事交換式電源供應器 (SMPS)、太陽能轉換系統、不斷電系統 (UPS)、馬達驅動控制器以及資料中心電源基礎設施的設計師與工程師。其主要優勢在於能夠實現更高頻率運作的系統設計，從而允許被動元件（如電感器和電容器）尺寸縮小，進而節省整體系統成本與體積。此外，其低熱阻降低了冷卻需求，有助於實現更簡單、更可靠的熱管理解決方案。

2. 深入技術參數分析

.1 Electrical Characteristics

電氣參數定義了二極體在特定條件下的操作邊界與性能。

• 最大重複峰值反向電壓 (VRRM)：650V。這是二極體在反向偏壓方向上可承受而不會崩潰的最大瞬時電壓。它定義了如 400VAC 整流或升壓式 PFC 級等應用的電壓額定值。
• 連續順向電流 (IF)：16A。這是元件可連續導通的最大平均順向電流，通常指定在殼溫 (Tc) 為 25°C 時。在更高的環境溫度下需要進行降額。
• 順向電壓 (VF)：在 IF=16A 且 Tj=25°C 時，典型值為 1.5V，最大值為 1.85V。此參數對於計算導通損耗 (P_loss = VF * IF) 至關重要。規格書亦指定了在最高接面溫度 (Tj=175°C) 下的 VF，該值通常更高（典型值 1.9V），這對於最壞情況的損耗計算非常重要。
• 反向電流 (IR)：極低的漏電流，在 VR=520V 且 Tj=25°C 時，典型值為 2µA。即使在高温 (175°C) 下，典型值仍可控制在 30µA。低漏電流可最小化待機功率損耗。
• 總電容電荷 (QC)：這是 SiC 蕭特基二極體的關鍵參數，在 VR=400V 時，典型值為 22nC。與傳統二極體不同，SiC 蕭特基二極體沒有少數載子儲存效應，因此其切換損耗主要是電容性的。QC 代表每個切換週期中必須供應/放電的電荷，直接影響切換損耗 (E_sw ~ 0.5 * QC * V)。此低數值使得高頻率運作成為可能。

2.2 熱特性

熱管理對於可靠性和性能至關重要。

• 接面至外殼熱阻 (RθJC)：典型值 1.3°C/W。此低數值表示從半導體接面到封裝外殼的熱傳導效率高。它使得由功率損耗（導通和切換損耗）產生的熱量，能夠透過安裝在外殼上的散熱片有效移除。
• 最高接面溫度 (TJ)：175°C。這是碳化矽接面可達到的絕對最高溫度。接近此極限運作會降低長期可靠性，因此建議保留設計餘裕。
• 總功率損耗 (PD)：在 Tc=25°C 時為 115W。這是在理想冷卻條件下（外殼維持在 25°C）元件可散發的最大功率。在實際應用中，允許的損耗較低，且取決於散熱片保持低外殼溫度的能力。

2.3 最大額定值與穩健性

這些額定值定義了可能導致永久損壞的絕對極限。

• 突波非重複順向電流 (IFSM)：對於 10ms 半正弦波為 56A。此額定值表示二極體承受短路或湧浪電流事件的能力，是故障條件下可靠性的關鍵因素。
• 儲存溫度範圍 (TSTG)：-55°C 至 +175°C。定義了元件在未通電時的安全溫度範圍。
• 安裝扭矩 (Md)：使用 M3 或 6-32 螺絲時為 0.8 至 8.8 N·m（或 7 至 78 lbf·in）。適當的扭矩對於封裝散熱片與散熱器之間的良好熱接觸至關重要。

3. 性能曲線分析

規格書提供了多種元件行為的圖形表示，對於詳細設計至關重要。

• VF-IF 特性曲線：此圖顯示了在不同接面溫度下，順向電壓與順向電流之間的關係。它用於精確計算各種工作點的導通損耗，而不僅僅是表格中給出的單一數據點。該曲線通常顯示，對於給定的電流，VF 會隨著溫度升高而略微下降（低電流時 VF 具有負溫度係數，高電流時轉為正溫度係數），這是蕭特基二極體的特性。
• VR-IR 特性曲線：繪製了反向漏電流與反向電壓的關係，通常在多個溫度下。它有助於設計師了解關斷狀態損耗，並確保在應用最大電壓和溫度下的漏電流是可接受的。
• VR-Ct 特性曲線：顯示二極體的接面電容 (Ct) 如何隨反向電壓 (VR) 變化。電容隨著反向電壓增加而減少。此圖對於模擬電容性切換行為以及計算特定工作電壓下的 QC 至關重要。
• 最大 Ip – TC 特性曲線：說明了最大允許連續順向電流 (Ip) 必須如何隨著外殼溫度 (TC) 升高而降額。這是熱設計的主要圖表，決定了所需的散熱片性能。
• 功率損耗 vs. TC 曲線：與電流降額類似，此圖顯示最大允許功率損耗如何隨著外殼溫度上升而減少。
• IFSM – PW 特性曲線：詳細說明了標準 10ms 以外其他脈衝寬度 (PW) 的突波電流承受能力。它允許評估在各種暫態條件下的生存能力。
• EC-VR 特性曲線：繪製了儲存的電容性能量 (EC) 與反向電壓的關係。切換損耗能量可由此推導 (E_sw ≈ EC)。
• 暫態熱阻抗 vs. 脈衝寬度曲線：對於評估短功率脈衝期間的溫升至關重要。單個短脈衝的熱阻抗低於穩態 RθJC，允許更高的瞬時功率而不會使接面過熱。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝外型與尺寸

此元件採用業界標準的 TO-220-2L（兩引腳）封裝。規格書中的關鍵尺寸包括：

• 總長度 (D)：15.6 mm（典型值）
• 總寬度 (E)：9.99 mm（典型值）總高度 (A)：4.5 mm（典型值）
• 引腳間距 (e1)：5.08 mm（基本值，固定）
• 安裝孔距離 (E3)：8.70 mm（參考值）
• 提供了散熱片尺寸和引腳成型細節，以供機械整合和 PCB 焊墊設計使用。

4.2 接腳配置與極性

接腳定義明確：

• 接腳 1：陰極 (K)。
• 接腳 2：陽極 (A)。
• 外殼（金屬散熱片）：此部分在電氣上連接到陰極（接腳 1）。此連接對於安全和設計至關重要：散熱器將處於陰極電位，因此如果系統其他部分（如機殼接地）處於不同電位，則必須將其隔離。需要使用適當的絕緣套件（雲母墊片、矽膠墊）。

4.3 建議 PCB 焊墊佈局

建議在 PCB 設計中使用表面黏著引腳成型的焊墊佈局。這確保了當元件安裝在 PCB 上時（通常與散熱片一起），能形成良好的焊點並具有機械穩定性。

5. 焊接與組裝指南

雖然提供的摘錄中未詳細說明特定的迴焊溫度曲線，但適用於 TO-220 封裝功率元件的一般指南如下：

• 操作：遵守 ESD（靜電放電）預防措施，因為 SiC 元件可能對此敏感。
• 焊接：對於引腳的穿孔安裝，可以使用標準的波焊或手焊技術。封裝本體溫度不應長時間超過最高儲存溫度 (175°C)。對於表面黏著引腳成型，請遵循無鉛組裝的標準迴焊溫度曲線（峰值溫度通常為 245-260°C）。
• 散熱片安裝：
  1. 確保散熱片和二極體散熱片的安裝表面清潔、平整且無毛邊。
  2. 塗抹一層薄而均勻的熱介面材料（散熱膏或導熱墊）以改善熱傳導。
  3. 如果需要電氣隔離，請使用絕緣墊片（例如雲母、聚醯亞胺）和螺絲的肩墊。在絕緣體的兩側塗抹散熱膏。
  4. 使用指定的安裝扭矩 (0.8 至 8.8 N·m) 和 M3 或 6-32 螺絲與螺母固定二極體。避免過度鎖緊，以免導致封裝破裂或螺紋滑牙。
• 儲存：在指定的溫度範圍內 (-55°C 至 +175°C)，儲存於乾燥、防靜電的環境中。

6. 應用建議

6.1 典型應用電路

• 功率因數校正 (PFC) 升壓二極體：在連續導通模式 (CCM) 升壓式 PFC 電路中，二極體的低 Qc 和快速切換對於在高切換頻率（例如 65-100 kHz）下實現高效率至關重要。它在主開關導通時承受高電壓應力。
• 太陽能微型逆變器輸出級：用於高頻逆變橋或作為續流二極體。其高溫能力適合太陽能應用中嚴苛的環境條件。
• 不斷電系統 (UPS) 逆變器/轉換器：在 DC-AC 逆變器或 DC-DC 轉換器級中作為續流或箝位二極體，提高整體系統效率。
• 馬達驅動直流匯流排箝位/返馳二極體：通過箝位來自馬達繞組的電感性能量，保護 IGBT 或 MOSFET 免受電壓尖峰影響。

6.2 關鍵設計考量

• 緩衝電路：由於極快的切換速度和低 Qc，電路中的寄生電感可能導致顯著的電壓過衝 (L*di/dt)。精心設計 PCB 佈局以最小化迴路面積至關重要。可能需要在二極體兩端添加 RC 緩衝器來抑制振鈴。
• 熱設計：計算總功率損耗 (P_conduction = VF_avg * IF_avg, P_switching ≈ 0.5 * QC * V * f_sw)。使用最高接面溫度 (Tj_max=175°C)、熱阻 RθJC 和估計的散熱片熱阻 (RθSA)，以確保 Tj 保持在安全餘裕內（例如 150°C 或更低）。
• 並聯運作：規格書指出此元件可以並聯使用而不會發生熱失控。這是由於在高電流下順向電壓具有正溫度係數，促進了電流均流。然而，為了達到最佳均流效果，請確保對稱佈局，並在驅動相關開關時使用獨立的閘極電阻。
• 電壓降額：為了提高長期可靠性，特別是在高溫或高可靠性應用中，考慮對工作反向電壓進行降額（例如，將 650V 二極體用於 400V 匯流排，而非 480V 匯流排）。

7. 技術比較與優勢

與標準矽快速恢復二極體 (FRD) 甚至超快速恢復二極體 (UFRD) 相比，EL-SAF01 665JA 提供顯著優勢：

• 幾乎為零的反向恢復電荷 (Qrr)：矽二極體由於少數載子儲存效應而具有顯著的 Qrr，導致關斷期間產生大電流尖峰和損耗。SiC 蕭特基二極體是多數載子元件，因此 Qrr 可忽略不計。其切換損耗純粹是電容性的 (QC)，遠低於基於 Qrr 的損耗。
• 更高的工作溫度：碳化矽的寬能隙允許最高接面溫度達 175°C，而許多矽二極體僅為 150°C 或 125°C，使其能在更熱的環境中運作或使用更小的散熱片。
• 更高的切換頻率能力：低 QC 和無 Qrr 的結合，使得在遠高於 100 kHz 的頻率下仍能高效運作，從而允許磁性元件（電感器、變壓器）顯著縮小。
• 高溫下更低的順向電壓：雖然室溫下的 VF 可能與矽蕭特基二極體相當，但 SiC 蕭特基二極體的 VF 隨溫度上升的幅度較小，從而帶來更好的高溫導通性能。

8. 常見問題 (FAQ)

8.1 基於技術參數

問：QC 為 22nC。如何計算切換損耗？

答：每個切換週期損失的能量約為 E_sw ≈ 0.5 * QC * V，其中 V 是關斷時承受的反向電壓。例如，在 400V 時，E_sw ≈ 0.5 * 22nC * 400V = 4.4µJ。乘以切換頻率 (f_sw) 得到功率損耗：P_sw = E_sw * f_sw。在 100 kHz 時，P_sw ≈ 0.44W。

問：為什麼外殼連接到陰極？總是需要隔離嗎？

答：出於熱和機械原因，內部晶片安裝在與陰極散熱片電氣連接的基板上。如果散熱器（或其連接的機殼）在您的電路中與陰極處於不同電位，則需要隔離。如果陰極處於接地電位且散熱器也已接地，則可能不需要隔離，但通常作為安全最佳實踐使用。

問：我可以在現有電路中直接使用此二極體替代矽二極體嗎？

答：未經審查不能直接替換。雖然電壓和電流額定值可能匹配，但極快的切換速度可能因電路寄生參數而導致嚴重的電壓過衝和 EMI，而這些問題在較慢的矽二極體中並不明顯。必須重新評估 PCB 佈局和緩衝器設計。

9. 實務設計與使用案例

案例研究：高密度 2kW 伺服器電源供應器 PFC 級。一位設計師在一個 80kHz CCM 升壓式 PFC 中，將一個 600V/15A 的矽超快速二極體替換為 EL-SAF01。原矽二極體的 Qrr=45nC，Vf=1.7V。計算顯示，SiC 二極體將切換損耗降低了約 60%（每個二極體從 1.44W 降至 0.58W），並略微改善了導通損耗。每個二極體節省的 0.86W 功率允許將切換頻率提高到 140kHz，從而將升壓電感器尺寸縮小約 40%，達到了目標功率密度提升。由於總損耗降低，現有的散熱片仍然足夠。

案例研究：太陽能微型逆變器 H 橋。在一個 300W 微型逆變器中，四個 EL-SAF01 二極體被用作 H 橋 MOSFET 的續流二極體。其高溫額定值 (175°C) 確保了在機殼溫度可能超過 70°C 的屋頂環境中的可靠性。低 QC 在高切換頻率下（例如，16kHz 基頻配合高頻 PWM）將損耗降至最低，有助於實現更高的整體轉換效率 (>96%)，這對於太陽能發電至關重要。

10. 工作原理

蕭特基二極體是由金屬-半導體接面形成，不同於標準的 PN 接面二極體。EL-SAF01 使用碳化矽 (SiC) 作為半導體。在金屬-SiC 界面形成的蕭特基障壁僅允許多數載子（電子）傳導。當正向偏壓時，電子從半導體注入金屬，允許電流以相對較低的順向電壓降（通常為 0.7-1.8V）流動。當反向偏壓時，蕭特基障壁阻止電流流動。與 PN 二極體的關鍵區別在於沒有少數載子注入和儲存。這意味著在漂移區沒有與儲存電荷相關的擴散電容，從而產生了零反向恢復特性。唯一的電容是接面空乏層電容，它與電壓相關並產生了可測量的 QC。碳化矽的寬能隙（4H-SiC 約為 3.26 eV）提供了高崩潰電場強度，使得在相對較小的晶片尺寸下實現 650V 額定值成為可能，並且其高熱導率有助於散熱。

11. 技術趨勢

碳化矽功率元件，包括蕭特基二極體和 MOSFET，代表了功率電子朝向更高效率、頻率和功率密度的重要趨勢。市場正從 600-650V 元件（與超接面矽 MOSFET 和 IGBT 競爭）轉向更高電壓等級，如 1200V 和 1700V，用於工業馬達驅動和電動車牽引逆變器。同時，隨著晶圓尺寸增大（從 4 英寸到 6 英寸，現在到 8 英寸）和製造良率提高，每安培成本降低也是一個趨勢。整合是另一個趨勢，出現了結合 SiC MOSFET 和蕭特基二極體的模組。此外，研究持續進行以改善蕭特基障壁界面，進一步降低順向電壓降並提高可靠性。全球範圍內，能源效率標準以及交通和可再生能源系統的電氣化推動了 SiC 的採用。