TO-252-3L 碳化矽蕭特基二極體規格書 - 650V, 20A, 1.5V - 封裝尺寸 6.6x9.84x2.3mm - 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 (DPAK) 封裝的高性能碳化矽（SiC）蕭特基障壁二極體（SBD）規格。此元件專為高效率、高功率密度與熱管理至關重要的高壓、高頻電源轉換應用而設計。採用 SiC 技術，此二極體相較於傳統矽質 PN 接面二極體，提供更優異的開關特性，能實現顯著的系統級效能提升。

此 SiC 蕭特基二極體的核心優勢在於其近乎零的反向恢復電荷，這幾乎消除了與二極體關斷相關的開關損耗。此特性對於提高電源供應器與變頻器中的開關頻率至關重要，允許使用更小的被動元件（如電感器與電容器），從而提高整體功率密度。低順向壓降進一步有助於降低導通損耗，提升整個工作溫度範圍內的系統效率。

2. 深入技術參數分析

2.1 電氣特性

此元件額定最大重複峰值反向電壓（VRRM）為 650V，使其適用於具有足夠設計餘裕的通用交流電源（85-265VAC）應用。連續順向電流（IF）額定值為 20A，此值是在外殼溫度（TC）為 25°C 下測得。必須注意，此電流額定值受熱限制，會隨著接面溫度升高而降額，詳見熱特性章節。

開關二極體的一個關鍵性能參數是總電容電荷（Qc）。此元件在反向電壓（VR）400V、接面溫度（Tj）25°C 下，標示典型 Qc 值為 30nC。此低數值證實了極低的儲存電荷，直接轉化為低開關損耗並實現高頻操作。順向電壓（VF）在 25°C、導通 16A 時，最大值為 1.85V，在最高接面溫度 175°C 時，典型值會升至 1.9V。VF 的正溫度係數是 SiC 蕭特基二極體的一項有益特性，當多個元件並聯工作時，能促進電流均流並防止熱失控。

反向漏電流（IR）極低，在 520V、25°C 下最大值為 120µA。此低漏電流有助於實現高效率，特別是在待機或輕載條件下。

2.2 熱特性

有效的熱管理對於可靠運作至關重要。主要的熱指標是接面至外殼熱阻（RθJC），其典型值為 3.6°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，使得熱量能透過連接至散熱片的的外部散熱器有效散逸。最大允許接面溫度（Tj）為 175°C，元件可儲存於 -55°C 至 +175°C 的溫度範圍內。

總功耗（PD）在 TC=25°C 時額定為 50W。在實際應用中，實際允許的功耗是根據最大接面溫度、熱阻（接面至環境，RθJA，包含外殼至散熱器及散熱器至環境的熱阻）以及環境溫度計算得出。所提供的功耗與暫態熱阻曲線對於設計暫態過載條件及確定安全工作區域至關重要。

3. 性能曲線分析

3.1 順向特性 (VF-IF)

VF-IF 特性曲線顯示了在不同接面溫度下，順向壓降與順向電流之間的關係。正如蕭特基二極體的特性，此曲線顯示其膝點電壓低於矽質 PN 二極體。曲線也展示了正溫度係數，即在給定電流下，VF 會隨著 Tj 升高而增加。此圖表對於計算不同工作條件下的導通損耗（Ploss = VF * IF）至關重要。

3.2 逆向特性與電容

VR-IR 曲線顯示在電壓範圍內直至阻斷電壓，其反向漏電流都非常低。VR-Ct 曲線則顯示接面電容隨反向偏壓變化的關係。電容會隨著反向電壓增加而減少（從 1V 時的約 513pF 降至 400V 時的約 46pF），這是電壓相依的乏層寬度特性。低且電壓相依的電容會影響開關速度與 Qc 參數。

3.3 突波及暫態性能

最大 Ip – TC 特性圖表定義了允許的非重複性突波電流（IFSM）與外殼溫度的函數關係。此元件在 25°C 下可承受 26A 的突波（半正弦波，持續時間 10ms）。IFSM – PW 特性圖進一步詳述了突波電流能力與脈衝寬度的關係，這對於設計防止湧入電流或故障狀況的保護至關重要。EC-VR 特性曲線繪製了儲存電容能量（EC）與反向電壓的關係，對於理解諧振電路中的損耗非常重要。

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 封裝。關鍵尺寸包括：封裝總長（E）6.60mm（典型值）、寬度（D）6.10mm（典型值）、高度（A）2.30mm（典型值）。接腳間距（e1）為 2.28mm（基本值）。大型金屬散熱片（外殼）作為主要的熱傳導路徑，並在電氣上連接到陰極端子。文件中提供了帶有公差的詳細尺寸圖，供 PCB 焊墊設計使用。

4.2 接腳配置與極性辨識

接腳配置定義明確：接腳 1 為陰極（K），接腳 2 為陽極（A），而外殼（大型金屬散熱片）也連接到陰極。組裝時正確辨識極性對於防止元件故障至關重要。文件中提供了建議的表面黏著 PCB 焊墊佈局，以確保形成正確的焊點並與電路板建立良好的熱連接。

5. 焊接與組裝指南

作為表面黏著元件，此二極體適用於迴焊製程。雖然本規格書未列出特定的迴焊溫度曲線參數（預熱、均熱、迴焊峰值溫度、液相線以上時間），但應遵循符合 IPC/JEDEC J-STD-020 標準的無鉛（Pb-Free）迴焊溫度曲線。焊接期間封裝本體的最高溫度不應長時間超過規定的最高儲存溫度 175°C。若使用螺絲固定散熱片（如適用），對於 M3 或 6-32 螺絲，其安裝扭矩規定為 8.8 N·cm（1 lbf·in）。

應採取預防措施，避免焊接後對接腳施加機械應力。元件在使用前應儲存在乾燥、防靜電的環境中，以防止吸濕（可能導致迴焊時產生爆米花現象）和靜電放電損壞。

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高效能電源轉換拓撲：

• 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）或臨界導通模式（CrM）PFC 級中的升壓二極體。其快速開關與低 Qc 特性可降低高線路頻率下的開關損耗，提高效率，特別是在高線路電壓下。
• 太陽能變頻器：應用於光伏微型變頻器或串列變頻器的升壓級，以最小的損耗處理高電壓與高電流，最大化能量採集。
• 不斷電系統（UPS）：用於變頻器輸出級或電池充電電路，實現高效的高頻開關。
• 馬達驅動器：可用於變頻驅動器（VFD）內的續流或箝位電路，以有效管理來自馬達的感應反衝電壓。
• 資料中心電源供應器：對於在伺服器電源供應器中實現高效率（例如 80 Plus Titanium 認證）至關重要，其中降低每一個百分點的損耗都極為關鍵。

6.2 設計考量

熱設計：主要的設計挑戰在於管理接面溫度。利用 RθJC 值與最大 Tj 來計算所需的散熱。金屬散熱片必須焊接至 PCB 上足夠大的銅焊墊，可能還需要熱導孔連接至內層或背面銅箔，以作為散熱器。對於更高功率的應用，可能需要將外部散熱器連接到散熱片上。

並聯操作：VF 的正溫度係數有助於並聯二極體之間的電流均流。然而，仍需要謹慎的佈局對稱性，以確保每個分支的寄生電感與電阻相等，防止在快速暫態期間產生電流不平衡。

緩衝電路：雖然此二極體具有極低的恢復電荷，但寄生電路電感與電容仍可能在關斷期間導致電壓過衝。可能需要緩衝電路（RC 或 RCD）來箝制這些尖峰，並確保在最大額定電壓範圍內可靠運作。

閘極驅動考量（針對相關開關）：此二極體的快速開關可能導致高 di/dt 與 dv/dt。這可能需要關注伴隨的開關電晶體（例如 MOSFET）的閘極驅動設計，以避免因米勒效應而誤觸發，或管理電磁干擾（EMI）。

7. 技術比較與優勢

相較於標準矽質快速恢復二極體（FRD）甚至碳化矽接面障壁蕭特基（JBS）二極體，此蕭特基二極體提供以下顯著優勢：

• 零反向恢復：蕭特基障壁機制沒有少數載子儲存，導致近乎零的 Qc。這消除了反向恢復電流尖峰，降低了二極體本身及伴隨電晶體的開關損耗，並最小化 EMI。
• 高溫操作：SiC 材料特性允許最高接面溫度達 175°C，高於典型的矽元件（150°C），提供更大的設計餘裕或允許使用更小的散熱器。
• 高頻能力：低 Qc 與低電容的結合，使其能在數百 kHz 的開關頻率下高效運作，超越了矽質 FRD 的實際限制。
• 效率提升：較低的 VF（與高溫下的 Si PN 二極體相比）以及沒有恢復損耗，直接轉化為更高的系統效率，特別是在部分負載與高線路條件下。

8. 常見問題 (FAQ)

問：此二極體能否在現有設計中直接替換矽質快速恢復二極體？

答：雖然在電氣上可能是接腳相容的替代品，但必須進行設計審查。更快的開關速度可能因電路寄生參數而加劇電壓尖峰。熱性能也會有所不同。應重新評估緩衝電路值與散熱設計。

問：為什麼外殼連接到陰極？這需要隔離嗎？

答：是的，金屬散熱片帶電（處於陰極電位）。其連接的 PCB 焊墊必須位於陰極網路。如果散熱片連接到外部散熱器，則該散熱器必須與其他電位或系統機殼電氣隔離，除非機殼也處於陰極電位。

問：如何應用突波電流額定值（IFSM）？

答：26A（10ms，半正弦波）的 IFSM 額定值適用於非重複性事件，如啟動湧入電流或故障清除。不應用於計算連續電流能力。對於其他脈衝持續時間，必須參考IFSM – PW曲線。

問：電容儲存能量（EC）參數有何重要性？

答：在 LLC 諧振轉換器等應用中，二極體的輸出電容（Coss）在每個開關週期都會放電，造成損耗。EC 量化了此損耗。較低的 EC 意味著較低的電容性開關損耗。

9. 實務設計案例分析

情境：為伺服器電源供應器設計一個 1kW、符合 80 Plus Titanium 效率的 PFC 級。

該設計使用交錯式臨界導通模式（CrM）拓撲，開關頻率為 100kHz。每相處理 500W。升壓二極體必須阻斷高達 400VDC 的電壓，並承載約 10A 的峰值電流。最初考慮使用矽質超快速二極體，但計算發現在高線路電壓下，每相與恢復相關的損耗超過 5W。

透過替換為此 650V SiC 蕭特基二極體，恢復損耗被消除。剩餘的損耗主要是導通損耗（基於 VF 與 RMS 電流）以及少量的電容損耗（基於 EC）。使用 RθJC=3.6°C/W 與設計最大 Tj 為 125°C 進行熱計算，結果顯示二極體接面溫升可透過以 PCB 銅箔面積作為主要散熱器來管理。此替換直接有助於滿足 Titanium 標準在 230VAC 輸入下 >96% 的效率要求，同時由於高且乾淨的開關頻率，也允許磁性元件變得更小。

10. 工作原理

蕭特基二極體是由金屬-半導體接面形成，與標準二極體的 p-n 半導體接面不同。在此 SiC 蕭特基二極體中，金屬接觸點連接到 n 型碳化矽。這形成了一個蕭特基障壁，當金屬（陽極）相對於半導體（陰極）施加正偏壓時，允許電流輕易地順向流動。在反向偏壓下，障壁變寬，阻斷電流流動。

關鍵區別在於電流傳輸主要由多數載子（n 型 SiC 中的電子）主導。不像 PN 接面二極體那樣，沒有少數載子（電洞）的注入、儲存和隨後的移除過程。因此，當二極體從順向導通切換到反向阻斷時，沒有反向恢復電流尖峰或相關的延遲時間。二極體幾乎瞬間關斷，僅受其接面電容充電的限制。此基本原理是其高速開關性能與低開關損耗的來源。

11. 技術趨勢

碳化矽功率元件代表了電力電子領域的一個重要趨勢，相較於矽基元件，能實現更高的效率、功率密度與工作溫度。對於二極體而言，發展方向是更高的額定電壓（目前常見 650V 和 1200V，並出現 1700V 和 3300V）、更低的順向壓降以及更小的電容。此處使用的 TO-252-3L（DPAK）封裝是表面黏著功率元件的主力，但同時也存在朝向更低電感、更好熱性能封裝的趨勢，例如用於最高性能應用的 TOLL（無引腳 TO）和 D2PAK-7L。整合是另一個趨勢，共同封裝的 SiC MOSFET 與蕭特基二極體半橋模組已問世，以最小化開關單元中的寄生電感。SiC 基板成本的持續下降，正使這項技術超越高階伺服器與電信電源供應器，擴展到更廣泛的應用領域，包括車載充電器、工業馬達驅動器以及追求更高效率標準的消費性電器。