SiC 蕭特基二極體 TO-252-3L 規格書 - 封裝尺寸 6.6x9.84x2.3mm - 電壓 650V - 電流 4A - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳述一款採用表面黏著 TO-252-3L 封裝（通常稱為 DPAK）的高效能碳化矽 (SiC) 蕭特基障壁二極體 (SBD) 之規格。此元件專為高電壓、高頻率與高效率的電源轉換應用所設計。其核心優勢在於 SiC 材料的基礎特性，相較於傳統矽基二極體，能實現更優異的切換性能與熱穩定性。

此元件的主要目標市場包括現代電源供應器設計、太陽能逆變器等再生能源系統、馬達驅動電路以及資料中心電源基礎設施。它特別適合要求極低切換損耗與高功率密度的應用。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

此元件額定重複峰值逆向電壓 (VRRM) 為 650V，並具有匹配的直流阻斷電壓 (VR)。最大連續順向電流 (IF) 為 4A，此限制基於熱考量。一個關鍵的穩健性參數是針對 10ms 半正弦波脈衝的非重複性突波電流 (IFSM) 為 12A，顯示其處理短路或湧浪電流狀況的能力。最大接面溫度 (TJ) 為 175°C，定義了操作的上限。

2.2 電氣特性

順向電壓 (VF) 是影響導通損耗的關鍵參數。在額定電流 4A 與接面溫度 25°C 下，典型 VF 為 1.4V，最大值為 1.75V。此低數值直接有助於提升系統效率。逆向漏電流 (IR) 極低，在 520V 與 25°C 下典型值為 1µA，能最小化關斷狀態的功率損耗。

SiC 蕭特基二極體的一個定義性特徵是沒有逆向恢復電荷，如零逆向恢復電流所述。相反地，其切換行為以電容性充電為特徵。總電容電荷 (QC) 在 400V 下指定為 6.4nC。此參數，以及隨逆向電壓增加而減小的總電容 (Ct)（例如：200V 時為 12pF，400V 時為 10pF），對於計算高頻電路中的電容性切換損耗至關重要。

2.3 熱特性

從接面到外殼的熱阻 (RθJC) 為 5.9°C/W（典型值）。此低數值對於從半導體晶粒到 PCB 或散熱片的有效熱傳導至關重要。最大總功率損耗 (PD) 為 25W，但實際限制取決於應用的熱管理與環境條件。

3. 性能曲線分析

規格書包含數個對設計工程師至關重要的典型性能圖表。

3.1 VF-IF 特性曲線

此圖表顯示在不同接面溫度下，順向電壓與順向電流之間的關係。它說明了 VF 具有負溫度係數，隨著溫度升高而略微下降，這是蕭特基二極體的特性。

3.2 VR-IR 特性曲線

此曲線繪製逆向漏電流對逆向電壓的關係，通常顯示 IR 隨電壓和溫度增加呈指數增長，突顯了在高溫下進行電壓降額的重要性。

3.3 最大順向電流 vs. 外殼溫度

此降額曲線對於根據操作外殼溫度 (TC) 決定最大允許連續電流至關重要。它能確保接面溫度不超過其最大額定值。

3.4 功率損耗 vs. 外殼溫度

類似於電流降額，此圖表顯示最大允許功率損耗如何隨著外殼溫度上升而降低。

3.5 暫態熱阻抗

此圖表對於評估二極體對短功率脈衝的熱響應至關重要。它顯示從接面到外殼的有效熱阻隨脈衝寬度變化的函數，允許在切換事件期間準確計算峰值接面溫度。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝外型與尺寸

此元件採用 TO-252-3L (DPAK) 封裝。關鍵尺寸包括整體封裝高度 (H) 為 9.84mm（典型值）、長度 (E) 為 6.60mm（典型值）與寬度 (D) 為 6.10mm（典型值）。引腳間距 (e) 為 2.28mm（基本值）。提供包含所有關鍵尺寸最小值、典型值與最大值的詳細機械圖，以確保正確的 PCB 焊墊設計與組裝間隙。

4.2 腳位配置與極性

腳位定義明確：腳位 1 為陰極，腳位 2 為陽極，金屬散熱片（外殼）連接到陰極。正確識別極性對於防止安裝期間元件故障至關重要。

4.3 建議 PCB 焊墊佈局

包含建議的表面黏著焊墊佈局，以優化焊點可靠性與熱性能。遵循此佈局有助於實現適當的焊錫圓角，並透過裸露的金屬散熱片進行有效的散熱。

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，但應遵循適用於無鉛元件的表面黏著組裝之標準 IPC/JEDEC 指南。此元件指定為無鉛且無鹵素，符合 RoHS 指令。處理時必須小心，避免對引腳施加機械應力。應儲存在乾燥、受控的環境中，以防止吸濕，這可能導致迴焊焊接期間發生爆米花效應。

6. 應用建議

6.1 典型應用電路

此二極體非常適合用作功率因數校正 (PFC) 級中的升壓二極體、橋式電路中的續流二極體，以及高頻 AC/DC 或 DC/DC 轉換器中的輸出整流器。其快速切換能力使其非常適合工作在數十至數百千赫茲範圍的電路。

6.2 設計考量

• 切換損耗：雖然逆向恢復損耗可忽略不計，但在極高頻率與電壓下，電容性切換損耗（與 QC * V^2 * f 成正比）會變得顯著。必須計算此損耗。
• 熱管理：低 RθJC 允許有效的熱傳導。PCB 上需要足夠大的銅箔區域連接到陰極散熱片，以作為散熱片。可以使用熱導孔將熱量傳遞到內層或底層。
• 並聯元件：VF 的正溫度係數有利於多個二極體並聯連接時的電流均流，降低了熱失控的風險。
• 電壓突波：在電感性切換電路中，需要適當的緩衝電路設計或謹慎的佈局來管理電壓過衝，並防止超過 VRRM 額定值。

7. 技術比較與優勢

與矽 PN 接面快速恢復二極體 (FRD) 甚至矽蕭特基二極體相比，此 SiC 蕭特基二極體提供顯著優勢：

• 零逆向恢復：消除了矽 FRD 中主要的切換損耗與 EMI 來源，從而實現更高的效率與頻率。
• 更高的工作溫度：最大 TJ 為 175°C，而許多矽元件通常為 150°C，允許更緊湊的設計或在更高的環境溫度下操作。
• 更高的電壓額定值：矽蕭特基二極體通常限制在 200V 以下。此 650V 額定值使其可用於主流的離線式電源供應器。
• 高溫下更低的順向電壓：SiC 蕭特基二極體的 VF 隨溫度保持相對穩定甚至下降，不像矽二極體會增加，從而在高溫條件下提供更好的性能。

8. 常見問題 (FAQ)

問：在實務中，零逆向恢復電流是什麼意思？

答：這意味著當二極體從導通切換到阻斷時，沒有需要移除（恢復）的儲存少數載子電荷。電流幾乎立即停止，消除了標準 PN 二極體中看到的逆向恢復電流尖峰與相關功率損耗。

問：如何計算此二極體的切換損耗？

答：對於這種電容性切換元件，主要的動態損耗是每個週期對其接面電容充電所需的能量。每週期損耗可近似為 0.5 * C(VR) * VR^2，其中 C(VR) 是與電壓相關的電容。乘以切換頻率 (f) 即可得到功率損耗：P_sw ≈ 0.5 * C(VR) * VR^2 * f。QC 參數提供了另一種損耗估算方法。

問：我可以直接用此二極體替換矽超快速二極體嗎？

答：在電氣上，許多情況下是可以的，而且可能會提高效率。然而，您必須驗證佈局與熱設計是否足夠，因為切換行為（電容性 vs. 恢復性）不同，可能會影響電壓振鈴。此外，確保任何相關切換電晶體的閘極驅動足夠穩健，以處理可能不同的切換動態。

問：為什麼突波電流額定值很重要？

答：它表示二極體承受意外故障狀況的能力，例如開機時對大電容充電的初始湧浪電流，或暫時的短路事件。這為設計增加了一層穩健性。

9. 設計與使用案例研究

情境：設計一個 1kW 圖騰柱式 PFC 級。

在一個工作於 100kHz 的現代無橋式圖騰柱 PFC 電路中，傳統的矽升壓二極體是主要的損耗來源。將其替換為此 650V SiC 蕭特基二極體將帶來顯著效益。零逆向恢復消除了當二極體的恢復電流被換向時，在互補式 MOSFET 中發生的導通損耗。這允許更高頻率操作，從而減小磁性元件（電感器）的尺寸。低順向電壓減少了導通損耗。設計師必須仔細模擬 SiC 二極體在 400V 直流匯流排電壓與 100kHz 下的電容性關斷損耗，以確保其可接受，並設計 PCB，使其具有連接到二極體散熱片的大面積、厚銅箔，以管理估計約 3-4W 的導通損耗。

10. 工作原理

蕭特基二極體是由金屬-半導體接面形成，而非 PN 半導體接面。此金屬-SiC 接面形成一個蕭特基障壁，僅允許多數載子傳導（在 N 型 SiC 基板中為電子）。當順向偏壓時，電子有足夠的能量跨越障壁，使電流流動。當逆向偏壓時，障壁變寬，阻斷電流。沒有少數載子注入與儲存是其超快速切換與缺乏逆向恢復的根本原因。碳化矽的寬能隙為材料提供了高臨界電場強度，使得漂移層可以更薄，因此與矽相比，在給定電壓額定值下具有更低的導通電阻與電容。

11. 技術趨勢

碳化矽功率元件是推動電源電子朝向更高效、更緊湊發展的關鍵使能技術。趨勢包括提高電壓額定值（針對汽車與工業驅動器朝向 1.2kV 與 1.7kV）、在更小的封裝中實現更高的電流密度，以及將 SiC 蕭特基二極體與 SiC MOSFET 整合在共封裝模組中。隨著製造量增加與成本下降，在對能源效率與電氣化的全球需求推動下，SiC 正從利基應用進入主流的消費、工業與汽車電源供應器。發展重點在於改善晶圓品質、降低缺陷密度，以及優化元件結構，以進一步降低比導通電阻與電容。