TO-247-2L 封裝 650V SiC 蕭特基二極體規格書 - 尺寸 16.26x20.0x4.7mm - 電壓 650V - 電流 8A - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳述一款採用 TO-247-2L 封裝的高性能碳化矽（SiC）蕭特基障壁二極體（SBD）之規格。此元件專為要求嚴苛的功率轉換應用而設計，旨在提供卓越的效率與可靠性。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逆向恢復電荷，相較於傳統矽基二極體，此為一項顯著優勢。

此二極體的主要定位在於現代化、高頻率與高效率的電力系統。其核心優勢源自碳化矽固有的材料特性，使其能在比矽元件更高的溫度、電壓及切換頻率下運作。目標市場多元，涵蓋能源效率、功率密度與熱管理至關重要的產業，包括工業馬達驅動器、太陽能逆變器等再生能源系統、資料中心電源供應器及不斷電系統（UPS）。

2. 深入技術參數分析

2.1 電氣特性

電氣參數定義了二極體在特定條件下的運作邊界與性能。

• 重複峰值逆向電壓（VRRM）：650V。此為可重複施加的最大瞬時逆向電壓。它定義了元件的額定電壓，對於為給定的匯流排電壓選擇二極體至關重要，通常需保留安全餘裕。
• 連續順向電流（IF）：8A。此為二極體可連續導通的最大平均順向電流，受限於最高接面溫度與熱阻。此 8A 值是在外殼溫度（TC）為 25°C 時所指定。在實際應用中，必須根據實際工作溫度進行降額。
• 順向電壓（VF）：在 8A 電流與 25°C 接面溫度（TJ）下，典型值為 1.5V，最大值為 1.85V。此參數對於計算導通損耗（P_conduction = VF * IF）至關重要。低 VF 是 SiC 蕭特基技術的一項關鍵優勢，直接有助於提升系統效率。請注意，VF 具有負溫度係數，意味著其值會隨溫度升高而略微下降，這有助於防止並聯配置時的熱失控。
• 逆向電流（IR）：在 520V 逆向電壓與 25°C 接面溫度下，典型值為 2µA。此為二極體處於逆向偏壓時的漏電流。低漏電流可最小化關斷狀態的功率損耗。
• 總電容電荷（QC）：在 VR=400V 時，典型值為 12 nC。此為高頻切換的關鍵參數。QC 代表與二極體接面電容相關的電荷，在每個切換週期中必須被移轉。低的 QC 值直接轉化為更低的切換損耗，從而實現更高頻率的運作。
• 突波非重複順向電流（IFSM）：29A。此為短時間內（10ms，半正弦波）允許的最大非重複峰值電流。它表示元件承受湧入電流或故障電流（例如啟動或負載暫態期間遇到的電流）的能力。

2.2 熱特性

熱管理對於可靠性和性能至關重要。

• 最高接面溫度（TJ,max）：175°C。此為半導體接面可承受的絕對最高溫度。在此極限或接近此極限下連續運作，將顯著縮短元件的使用壽命。
• 熱阻，接面至外殼（RθJC）：典型值為 1.9 °C/W。此參數量化了半導體晶粒（接面）與封裝外殼之間的熱阻抗。較低的值表示從晶粒到散熱片的熱傳導效果更好。總接面溫升可計算為 ΔTJ = PD * RθJC，其中 PD 是二極體消耗的功率。
• 總功率消耗（PD）：在外殼溫度 TC=25°C 時為 42W。此為元件在指定測試條件下可消耗的最大功率。實際上，允許的消耗功率會隨著外殼溫度升高而降低。

3. 性能曲線分析

規格書提供了幾條對設計與分析至關重要的特性曲線。

3.1 VF-IF 特性曲線

此圖表繪製順向電壓（VF）與順向電流（IF）的關係。它顯示了非線性關係，通常始於膝點電壓，然後近似線性增加。設計人員使用此曲線來精確確定特定工作電流下的導通損耗，這比使用單一典型 VF 值更為精確。

3.2 VR-IR 特性曲線

此曲線說明逆向漏電流（IR）隨施加的逆向電壓（VR）變化的關係。它展示了漏電流如何隨逆向電壓和接面溫度增加而增加。這對於估算關斷狀態損耗至關重要，特別是在高壓應用中。

3.3 VR-Ct 特性曲線

此圖表顯示二極體的總電容（Ct）與逆向電壓（VR）的關係。接面電容具有高度非線性，隨著逆向電壓增加而顯著下降（從 1V 時的 208 pF 降至 400V 時的 18 pF）。此非線性電容是計算切換行為與 QC 參數的關鍵因素。

3.4 最大順向電流 vs. 外殼溫度曲線

此降額曲線顯示最大允許連續順向電流（IF）如何隨著外殼溫度（TC）升高而降低。它是散熱片設計的基本指南，確保在所有工作條件下，接面溫度不超過其最大額定值。

3.5 暫態熱阻抗曲線

此曲線繪製暫態熱阻（ZθJC）與脈衝寬度的關係。它對於評估短時間功率脈衝期間的接面溫升至關重要，例如發生在切換事件或突波條件下的脈衝。封裝的熱質量導致對於極短脈衝的有效熱阻較低。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝外型與尺寸

本元件採用業界標準的 TO-247-2L 封裝。外型圖中的關鍵尺寸包括：封裝總長度約 20.0 mm，寬度 16.26 mm，高度 4.7 mm（不包含接腳）。接腳具有特定的厚度與間距，以確保與標準 PCB 佈局及散熱片安裝孔的相容性。

4.2 接腳配置與極性識別

TO-247-2L 封裝有兩個接腳。接腳 1 識別為陰極（K），接腳 2 為陽極（A）。重要的是，封裝的金屬散熱片或外殼在電氣上連接到陰極。在安裝時必須仔細考慮此點，若散熱片不處於陰極電位，則需確保適當的電氣絕緣。規格書提供了建議的 PCB 焊墊圖形（焊墊佈局），以確保在使用表面黏著接腳形式時，能獲得可靠的焊接與熱性能。

5. 安裝與組裝指南

正確的安裝對於性能與可靠性至關重要。

• 安裝扭力：建議用於固定螺絲（M3 或 6-32）的安裝扭力為 8.8 N·cm（或 8.8 lbf-in）。施加正確的扭力可確保封裝外殼與散熱片之間達到最佳的熱接觸，同時不會損壞封裝。
• 熱介面材料（TIM）：必須在二極體外殼與散熱片之間使用合適的散熱膏或導熱墊，以填充微小的空氣間隙並最小化熱阻。
• 電氣絕緣：由於外殼連接到陰極，若散熱片處於不同電位，則需要使用電氣絕緣但導熱的墊片（例如雲母、含陶瓷填料的矽膠墊）。此墊片的絕緣電壓額定值必須超過系統的工作電壓。
• 儲存條件：元件應儲存在 -55°C 至 +175°C 的溫度範圍內，並置於乾燥、無腐蝕性的環境中。

6. 應用建議

6.1 典型應用電路

此 SiC 蕭特基二極體非常適合以下幾種關鍵電力電子電路：

• 功率因數校正（PFC）：用於交換式電源供應器（SMPS）的升壓轉換器級。其快速切換與低 QC 值可降低高頻（通常為 65kHz 至 150kHz）下的切換損耗，從而提升 PFC 級的效率。
• 太陽能逆變器 DC-AC 級：用於逆變器橋式電路或作為續流二極體。其高電壓額定值與高效率有助於提升逆變器的整體效率，這對於太陽能發電量至關重要。
• 不斷電系統（UPS）：用於整流器/充電器與逆變器部分。其高突波能力（IFSM）有助於處理電池充電電流與輸出負載暫態。
• 馬達驅動逆變器：在輸出橋式電路中，作為絕緣閘雙極電晶體（IGBT）或 MOSFET 兩端的續流二極體。由於沒有逆向恢復電荷，消除了逆向恢復損耗及相關的電壓尖峰，從而實現更平順的切換並降低電磁干擾（EMI）。

6.2 設計考量

• 緩衝電路：由於切換速度極快且基本上沒有逆向恢復，相較於矽 PN 接面二極體，用於控制 di/dt 或 dv/dt 的緩衝電路可以簡化甚至不需要。然而，佈局引起的寄生電感仍可能導致電壓過衝，必須透過緊湊的 PCB 佈局將其最小化。
• 並聯運作：VF 的負溫度係數使得這些二極體天生適合並聯運作以增加電流處理能力。當一個二極體溫度升高時，其 VF 下降，導致它分擔更多電流，這促進了電流平衡而非熱失控。然而，仍建議注意對稱佈局與熱耦合。
• 散熱片尺寸選擇：使用功率消耗（由 VF 和 IR 計算得出）、RθJC 以及降額曲線來精確選擇散熱片尺寸。目標是將接面溫度保持在遠低於 175°C（例如 125-150°C），以確保長期可靠性。

7. 技術比較與優勢

與標準矽快速恢復二極體（FRD）甚至矽 PN 二極體相比，此 SiC 蕭特基二極體提供顯著優勢：

• 基本上零逆向恢復：蕭特基障壁是多數載子元件，不同於少數載子元件的 PN 接面。這消除了儲存電荷以及相關的逆向恢復時間（trr）與電流（Irr）。這是最重要的單一優勢，能大幅降低切換損耗。
• 更高的工作溫度：碳化矽的較寬能隙允許更高的最高接面溫度（175°C，相對於矽元件的典型 150°C），提供了更多的設計餘裕或允許使用更小的散熱片。
• 更高的切換頻率：低 QC 值與無逆向恢復的結合，使得在更高頻率下仍能高效運作。這允許使用更小的被動元件（電感器、電容器、變壓器），從而提高功率密度。
• 更低的順向壓降：在典型工作電流下，SiC 蕭特基二極體的 VF 通常與高壓矽 FRD 相當或更低，從而降低了導通損耗。
• 權衡取捨：過去主要的權衡點是成本，儘管 SiC 元件的價格已顯著下降。此外，蕭特基二極體的逆向漏電流通常高於 PN 二極體，且隨溫度升高而急遽增加，這在極高溫應用中是需要考慮的因素。

8. 常見問題（FAQ）

Q1: 實務上，基本上沒有切換損耗是什麼意思？

A1: 這意味著二極體中主要的切換損耗機制——逆向恢復損耗——可以忽略不計。然而，由於接面電容的充放電（與 QC 相關）仍會產生損耗。這些電容性損耗通常遠小於矽二極體的逆向恢復損耗，特別是在高頻下。

Q2: 我該如何為此二極體選擇散熱片？

A2: 首先，計算最壞情況下的功率消耗：PD = (VF * IF_avg) + (VR * IR_avg)。請使用您預期工作接面溫度下的 VF 和 IR 值。接著，確定您的目標最高接面溫度（例如 140°C）。所需的散熱片熱阻（RθSA）可從以下公式求得：RθSA = (TJ - TA) / PD - RθJC - RθCS，其中 TA 是環境溫度，RθCS 是介面材料的熱阻。

Q3: 我可以在現有電路中直接使用此二極體替換矽二極體嗎？

A3: 並非總是可以直接替換，需要審視。雖然接腳配置與封裝可能相容，但更快的切換速度可能因電路寄生電感而導致更高的電壓尖峰。相關切換電晶體的閘極驅動或控制可能需要調整。較低的順向電壓也可能略微改變電路行為。建議進行全面的設計審查。

Q4: 為什麼外殼連接到陰極？

A4: 這在功率封裝中很常見。它允許將優異於散熱的大型金屬散熱片用作電氣連接。這降低了陰極路徑的寄生電感，對高速切換有益。若散熱片不處於陰極電位，則需要仔細進行絕緣處理。

9. 實務設計案例研究

情境：設計一個 1.5kW 升壓 PFC 級。

假設輸入電壓範圍為 85-265VAC，輸出電壓為 400VDC，切換頻率為 100kHz。升壓二極體必須阻擋 400V 並承載電感器電流。計算顯示峰值電流約為 10A，二極體平均電流約為 4A。



若使用逆向恢復時間（trr）為 50ns、QC 為 30nC 的矽超快速二極體，在 100kHz 下將產生顯著的逆向恢復損耗。透過選用此 SiC 蕭特基二極體（QC=12nC，無 trr），二極體的切換損耗降低至僅剩電容性損耗。這直接將效率提升 0.5-1.5%，減少熱量產生，並可能允許使用更小的散熱片或在更高的環境溫度下運作。由於沒有逆向恢復電流尖峰，設計還能受益於降低的 EMI。

10. 工作原理

蕭特基二極體由金屬-半導體接面形成，不同於使用半導體-半導體接面的標準 PN 接面二極體。在 SiC 蕭特基二極體中，金屬（例如鈦）沉積在碳化矽上。這形成了一個蕭特基障壁，當施加小電壓（低 VF）時，允許電流在順向自由流動。在逆向方向，障壁阻擋電流流動。由於導電僅依賴多數載子（N 型 SiC 基板中的電子），沒有少數載子的注入與儲存。因此，當電壓反向時，沒有需要移除的儲存電荷，從而產生近乎瞬時的關斷特性以及沒有逆向恢復的現象。

11. 技術趨勢

碳化矽功率元件，包括蕭特基二極體與 MOSFET，代表了電力電子朝向更高效率、頻率與功率密度的主要趨勢。市場正從 600-650V 元件（與矽超接面 MOSFET 和 IGBT 競爭）轉向用於工業與汽車應用的 1200V 及 1700V 額定電壓。將 SiC 二極體與 SiC MOSFET 整合在模組中，以實現完整的高性能功率級已變得普遍。碳化矽材料品質與製程的持續改進正在降低成本並提高元件可靠性，使得 SiC 技術成為中高功率應用（其中性能至關重要）新設計的首選。