TO-252-3L 封裝 650V 碳化矽蕭特基二極體規格書 - 尺寸 6.6x9.84x2.3mm - 電壓 650V - 電流 10A - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件提供一款高效能碳化矽（SiC）蕭特基障壁二極體（SBD）的完整技術規格。此元件專為高壓、高頻開關應用而設計，在這些應用中，效率與熱管理至關重要。它採用表面黏著 TO-252-3L（DPAK）封裝，為電源電路設計提供了穩固的熱與電氣介面。

此碳化矽蕭特基二極體的核心優勢在於其材料特性。與傳統的矽 PN 接面二極體不同，蕭特基二極體具有金屬-半導體接面，天生就具備較低的正向壓降（V_F），且關鍵在於，其反向恢復電荷（Q_c）近乎為零。此組合能顯著降低導通損耗與開關損耗，從而實現更高的系統效率與功率密度。

此元件的目標市場為先進的電源轉換系統。其高效率與高速開關的主要優點，使其成為現代化、緊湊且高可靠度電源供應器的理想選擇。

2. 深入技術參數分析

.1 Electrical Characteristics

電氣參數定義了二極體在不同條件下的操作邊界與性能。

• 重複峰值反向電壓（V_RRM）：650V。這是二極體可重複承受的最大反向電壓。它定義了應用（例如從通用交流電源（85-265VAC）運作的功率因數校正（PFC）級）的電壓額定值。
• 連續正向電流（I_F）：10A。這是元件在熱特性限制下可連續導通的最大平均正向電流。規格書中此值是在外殼溫度（T_C）為 25°C 時指定的。
• 正向電壓（V_F）：在 I_F=10A，T_J=25°C 時為 1.48V（典型值）。此低 V_F是碳化矽蕭特基技術的關鍵優勢，可直接降低導通損耗（P_損耗= V_F* I_F）。請注意，V_F具有正溫度係數，在接面溫度 175°C 時會增加至約 1.9V。
• 反向電流（I_R）：在 V_R=520V，T_J=25°C 時為 2µA（典型值）。此低漏電流有助於在阻斷狀態下實現高效率。
• 總電容電荷（Q_c）：在 V_R=400V 時為 15nC（典型值）。這可以說是影響開關性能最關鍵的參數。Q_c代表改變二極體接面電容兩端電壓時必須提供/移置的電荷。低 Q_c意味著極小的開關損耗，並能實現極高頻率的操作。
• 電容儲存能量（E_C）：在 V_R=400V 時為 2.2µJ（典型值）。此參數源自接面電容，表示二極體在反向偏壓時儲存在電場中的能量。在諧振電路設計中必須考慮此點。

2.2 最大額定值與熱特性

這些參數定義了安全操作的絕對極限以及元件的散熱能力。

• 突波非重複正向電流（I_FSM）：對於 10ms 半正弦波為 16A。此額定值表示二極體承受短期過載（例如湧入電流）的能力。
• 接面溫度（T_J）：最高 175°C。在超過此溫度的情況下操作元件可能導致永久損壞。
• 熱阻，接面至外殼（R_θJC）：3.2°C/W（典型值）。此低熱阻對於將熱量從矽晶粒有效傳遞到封裝外殼，再傳遞到散熱片或 PCB 至關重要。總功耗（P_D）列為 44W，但這主要受限於最大 T_J以及系統的散熱能力（R_θCA）。

3. 性能曲線分析

規格書包含數條對設計工程師至關重要的特性曲線。

• V_F-I_F特性：此圖顯示在不同接面溫度下，正向電壓與正向電流之間的關係。它用於計算實際操作條件下的精確導通損耗，而不僅是 25°C 的典型點。
• V_R-I_R特性：說明反向漏電流作為反向電壓與溫度的函數。這對於估算待機損耗以及確保在高溫下的穩定阻斷性能至關重要。
• V_R-C_t特性：顯示二極體總電容（C_t）如何隨著反向電壓（V_R）增加而減少。此非線性電容會影響高頻開關行為與諧振電路設計。
• 最大 I_F對外殼溫度（T_C）：一條降額曲線，定義了最大允許連續正向電流如何隨著外殼溫度升高而降低。這是熱設計的基礎。
• 功耗對外殼溫度：類似於電流降額，此曲線顯示元件基於其外殼溫度可以散發多少功率。
• I_FSM對脈衝寬度（P_W）：提供標準 10ms 以外之脈衝持續時間的突波電流能力，允許評估故障狀態耐受度。
• E_C-V_R特性：繪製儲存的電容能量與反向電壓的關係圖，對於軟開關拓撲中的損耗計算很有用。
• 暫態熱阻（Z_θJC）對脈衝寬度：此曲線對於評估短暫開關脈衝期間的熱性能至關重要。單個短脈衝的有效熱阻低於穩態 R_θJC.

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

此元件採用業界標準的 TO-252-3L（DPAK）表面黏著封裝。輪廓圖中的關鍵尺寸包括：

• 總長度（H）：9.84 mm（典型值）
• 總寬度（E）：6.60 mm（典型值）
• 總高度（A）：2.30 mm（典型值）
• 引腳間距（e1）：2.28 mm（基本值）
• 散熱片尺寸（D1 x E1）：5.23 mm x 4.83 mm（典型值）

大型金屬散熱片作為主要的熱路徑（連接至陰極），必須正確焊接至 PCB 上對應的銅焊墊，以實現有效的散熱。

4.2 腳位配置與極性

腳位定義明確：

• 腳位 1：陰極（K）
• 腳位 2：陽極（A）
• 外殼（散熱片）：陰極（K）

重要：外殼（大型金屬散熱片）在電氣上連接到陰極。在 PCB 佈局時必須考慮此點以避免短路。除非有意連接到陰極節點，否則散熱片必須與其他網路隔離。

4.3 建議 PCB 焊墊佈局

提供了表面黏著的建議焊墊佈局。此佈局針對焊點可靠性和熱性能進行了優化。通常包括一個用於散熱片的大型中央焊墊，帶有連接到內部銅層或底部散熱片的散熱孔，以及兩個用於陽極和陰極引腳的較小焊墊。

5. 焊接與組裝指南

雖然此摘錄未詳細說明特定的迴焊曲線，但適用於功率 SMD 封裝的一般指南。

• 迴焊焊接：標準無鉛（Pb-Free）迴焊曲線適用。散熱片的大熱質量可能需要稍微調整曲線（例如，較長的均熱時間或較高的峰值溫度），以確保散熱片下方焊料完全迴焊。
• 散熱孔：為獲得最佳熱性能，散熱片的 PCB 焊墊應包含多個在迴焊過程中填充焊料的散熱孔。這些孔將熱量傳導至內部接地層或底部銅箔。
• 安裝扭力：如果使用額外的螺絲將封裝固定到散熱片上（透過散熱片上的孔），對於 M3 或 6-32 螺絲，最大扭力指定為 8.8 N·cm（或 8 lbf-in）。超過此值可能會損壞封裝。
• 儲存條件：元件應儲存在溫度範圍 -55°C 至 +175°C 內的乾燥、防靜電環境中。

6. 應用建議

6.1 典型應用電路

此二極體專為以下應用而設計：

• 交換式電源供應器（SMPS）中的功率因數校正（PFC）：用作連續導通模式（CCM）或過渡模式（TM）PFC 電路中的升壓二極體。其高 V_RRM處理升壓後的電壓，而其低 Q_c則在高 PFC 頻率（通常為 65-100 kHz 以上）下將開關損耗降至最低，從而提高整體效率。
• 太陽能逆變器：用於光伏（PV）微型逆變器或串列逆變器的升壓級。高效率對於最大化能量採集至關重要。
• 不斷電系統（UPS）：用於整流器/充電器和逆變器級，以提高效率並減小尺寸。
• 馬達驅動器：可用於驅動馬達的逆變器橋中的續流或箝位二極體位置，受益於高速開關。
• 資料中心電源供應器：伺服器電源供應器和電信整流器要求極高的效率（例如，80 Plus 鈦金級）。此二極體的特性有助於滿足這些嚴格的要求。

6.2 設計考量

• 熱設計：低 R_θJC只有在熱量能從外殼移除時才有效。需要足夠的 PCB 銅箔面積、散熱孔，以及可能的外部散熱片。使用降額曲線來確定在您估計的最大外殼溫度下的安全工作電流。
• 開關損耗計算：對於硬開關應用，開關損耗主要是電容性的。每個週期的損耗可近似為 0.5 * C_oss(V) * V²* f_sw。Q_c和 E_C參數提供了更準確的損耗估算方法。
• 並聯操作：規格書指出此元件適合並聯操作而不會發生熱失控。這是由於 V_F的正溫度係數；如果一個二極體升溫，其 V_F會增加，導致電流轉移到較冷的並聯元件，促進自然的電流均流。
• 緩衝電路：由於極快的開關速度和低 Q_rr，碳化矽蕭特基二極體有時可能因寄生電感而導致較高的電壓過衝（振鈴）。需要仔細佈局以最小化雜散電感，並可能需要使用 RC 緩衝電路。

7. 技術比較與優勢

與傳統的矽快速恢復二極體（FRD）甚至碳化矽 MOSFET 本體二極體相比，此碳化矽蕭特基二極體具有明顯優勢：

• 對比矽 PN 二極體：最顯著的差異是沒有反向恢復電荷（Q_rr）。矽二極體具有大的 Q_rr，會導致顯著的開關損耗和反向恢復電流尖峰。碳化矽蕭特基的 Q_c純粹是電容性的，如優勢所述，導致基本上沒有開關損耗。
• 對比矽蕭特基二極體：矽蕭特基二極體具有低 V_F和快速開關，但僅限於低電壓額定值（通常 <200V）。碳化矽技術使得蕭特基性能能在更高的電壓（650V 及以上）下實現。
• 更高的系統效率：低 V_F與可忽略的開關損耗相結合，直接提高了電源供應器在整個負載範圍內的效率。
• 降低冷卻需求：較低的損耗意味著產生的熱量更少。這可以允許使用更小的散熱片甚至被動冷卻，從而降低系統成本、尺寸和重量。
• 更高頻率操作：使電源供應器設計能夠在更高的開關頻率下運作。這允許使用更小的磁性元件（電感器、變壓器），進一步提高功率密度。

8. 常見問題（基於技術參數）

問：V_F為 1.48V，這似乎比某些矽二極體高。這是缺點嗎？

答：雖然某些矽二極體在低電流下可能有較低的 V_F，但其 V_F在高溫和高電流下會顯著增加。更重要的是，矽二極體的開關損耗（由於 Q_rr）通常比此碳化矽蕭特基的電容性開關損耗高出數個數量級。在高頻應用中，碳化矽元件的總損耗（導通 + 開關）幾乎總是較低。

問：我可以在現有電路中直接使用此二極體替換矽二極體嗎？

答：未經仔細審查不可。雖然腳位可能相容，但開關行為截然不同。缺乏反向恢復電流可能因電路寄生參數而導致更高的電壓過衝。相關開關電晶體的閘極驅動可能需要調整，緩衝電路也可能需要重新調校。熱性能也會不同。

問：此二極體的主要故障原因是什麼？

答：功率二極體最常見的故障模式是熱過應力（超過 T_Jmax）和電壓過應力（由於暫態超過 V_RRM）。穩健的熱設計、適當的電壓降額以及防止電壓尖峰（例如使用 TVS 二極體或 RC 緩衝器）對於可靠性至關重要。

9. 實務設計案例分析

情境：設計一個 500W、80 Plus 白金效率的伺服器電源供應器，前端採用 CCM PFC。

設計選擇：選擇升壓二極體。

分析：傳統的 600V 矽超快二極體的 Q_rr可能為 50-100 nC。在 PFC 開關頻率 100 kHz 和匯流排電壓 400V 下，開關損耗將非常可觀。通過使用此 Q_c為 15 nC 的碳化矽蕭特基二極體，電容性開關損耗可減少約 70-85%。此損耗節省直接將滿載效率提高 0.5-1.0%，有助於達到白金標準。此外，減少的熱量產生允許在 PFC 級使用更小的散熱片，節省最終產品的空間和成本。

10. 工作原理簡介

蕭特基二極體由金屬-半導體接面形成，不同於使用半導體-半導體的標準 PN 接面二極體。當合適的金屬（例如鎳）沉積在 N 型碳化矽（SiC）晶圓上時，會形成蕭特基障壁。在正向偏壓下，來自半導體的電子獲得足夠的能量越過此障壁進入金屬，允許電流以相對較低的電壓降流動。在反向偏壓下，障壁變寬，阻斷電流。關鍵區別在於這是一個多數載子元件；在漂移區中沒有少數載子（此處為電洞）的注入和後續儲存。因此，當電壓反轉時，沒有需要移除的儲存電荷（反向恢復），只有接面電容的充電/放電。這種基礎物理原理正是實現高速開關和低 Q_c performance.

11. 技術趨勢

碳化矽（SiC）功率元件代表了電力電子領域的一個重要趨勢，超越了傳統矽的材料限制。碳化矽的更寬能隙（4H-SiC 為 3.26 eV，而 Si 為 1.12 eV）提供了固有的優勢：更高的擊穿電場（允許在給定電壓下使用更薄、電阻更低的漂移層）、更高的熱導率（更好的散熱）以及能在更高溫度下運作的能力。對於二極體，碳化矽上的蕭特基結構實現了高電壓額定值與快速開關的結合，這是矽無法實現的組合。持續的發展重點在於降低碳化矽 MOSFET 的特定導通電阻（R_DS(on)），並進一步降低碳化矽蕭特基二極體的 V_F和電容，同時提高製造良率以降低成本。從電動車到再生能源系統等一切領域對更高能源效率的全球需求推動了其採用。