Ποια δίοδος είναι πιο σταθερή σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας;

一, Μηχανισμός αστοχίας υψηλής θερμοκρασίας παραδοσιακών διόδων με βάση το πυρίτιο-
1. Ευαισθησία στη θερμοκρασία των διόδων σύνδεσης PN
Οι τυπικές δίοδοι σύνδεσης PN πυριτίου παρουσιάζουν διπλό κίνδυνο αστοχίας σε υψηλές θερμοκρασίες:

Θετική υποβάθμιση χαρακτηριστικών: Για κάθε 1 βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας, η προς τα εμπρός πτώση τάσης μειώνεται κατά περίπου 2 mV, με αποτέλεσμα την αύξηση της απώλειας αγωγιμότητας. Για παράδειγμα, στους 150 μοίρες, η πτώση τάσης προς τα εμπρός της διόδου ανορθωτή 1N4007 μειώνεται από 0,7 V σε θερμοκρασία δωματίου σε 0,4 V, αλλά το ρεύμα αγωγιμότητας τριπλασιάζεται λόγω της επίδρασης θερμικής διέγερσης, προκαλώντας τοπική υπερθέρμανση.
Εκτεταμένος χρόνος ανάστροφης ανάκτησης: Η διάρκεια ζωής των μειοψηφικών φορέων παρατείνεται σε υψηλές θερμοκρασίες και ο χρόνος ανάστροφης ανάκτησης (trr) επεκτείνεται από 500 ns σε θερμοκρασία δωματίου σε πάνω από 2 μ s, με αποτέλεσμα σημαντικές απώλειες μεταγωγής σε εφαρμογές μεταγωγής υψηλών-συχνοτήτων. Μια μελέτη περίπτωσης ενός βιομηχανικού μετατροπέα συχνότητας δείχνει ότι όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος αυξάνεται από 25 βαθμούς σε 125 μοίρες, η απώλεια μεταγωγής των παραδοσιακών διόδων γρήγορης ανάκτησης αυξάνεται κατά 47%, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία διακλάδωσης της μονάδας IGBT να υπερβαίνει το πρότυπο.
2. Κρίση ρεύματος διαρροής διόδων Schottky
Παρόλο που οι δίοδοι Schottky βασισμένες σε πυρίτιο-έχουν χαμηλή πτώση τάσης προς τα εμπρός (0,2-0,4V) και χαρακτηριστικά γρήγορης μεταγωγής, η μεταλλική τους διασταύρωση ημιαγωγών εκθέτει θανατηφόρα ελαττώματα σε υψηλές θερμοκρασίες:

Αντίστροφη αύξηση του δείκτη ρεύματος διαρροής: Για κάθε 10 μοίρες αύξηση της θερμοκρασίας, το ρεύμα διαρροής διπλασιάζεται. Στις 175 μοίρες, το ρεύμα διαρροής της διόδου Schottky MBR2045CT μπορεί να φτάσει τα 10 mA, υπερβαίνοντας κατά πολύ το ονομαστικό αντίστροφο ρεύμα (5 μ A @ 25 μοίρες). Τα δεδομένα δοκιμής ενός φορτιστή αυτοκινήτου δείχνουν ότι όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος φτάσει τους 125 βαθμούς, το ρεύμα διαρροής των παραδοσιακών διόδων Schottky πυριτίου οδηγεί σε μείωση της απόδοσης του συστήματος κατά 3,2%.
Κίνδυνος θερμικής διαρροής: Η θέρμανση Joule που δημιουργείται από ρεύμα διαρροής σχηματίζει έναν βρόχο θετικής ανάδρασης με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ένα πείραμα έδειξε ότι σε περιβάλλον 200 μοιρών, μια μη ψυχρή δίοδος Schottky πυριτίου καίγεται λόγω θερμικής διαφυγής μέσα σε 30 δευτερόλεπτα.
3. Ανισορροπία τάσης διόδου Zener
Οι δίοδοι Zener αντιμετωπίζουν διπλές προκλήσεις σε υψηλές θερμοκρασίες:

Μετατόπιση τάσης Zener: Με συντελεστή θερμοκρασίας -2mV/βαθμός, η τάση εξόδου του ρυθμιστή τάσης 24V μπορεί να αποκλίνει στα 22,8V στους 150 βαθμούς, επηρεάζοντας τη σταθερότητα των κυκλωμάτων ακριβείας.
Μέγιστη εξασθένηση ισχύος: Η θερμική αντίσταση αυξάνεται με τη θερμοκρασία και η πραγματική ισχύς που διαχέεται ενός συγκεκριμένου σωλήνα ρυθμιστή τάσης 1W πέφτει στα 0,3W στους 125 βαθμούς, με αποτέλεσμα υπερθέρμανση και ζημιά στη συσκευή.
2, Ανακάλυψη υψηλής θερμοκρασίας της διόδου υλικού ευρείας ζώνης
1. SiC δίοδος Schottky: επαναπροσδιορισμός της αγωγιμότητας υψηλής- θερμοκρασίας
Τα υλικά καρβιδίου του πυριτίου επιτυγχάνουν σταθερή λειτουργία σε υψηλές-θερμοκρασίες με βάση τρία κύρια χαρακτηριστικά:

Το ευρύ διάκενο καταστέλλει το ρεύμα διαρροής: Με πλάτος διάκενου ζώνης 3,2 eV, η εγγενής συγκέντρωση φέροντος SiC στους 200 βαθμούς είναι μόνο το 1/10 αυτής του πυριτίου. Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι η πυκνότητα ρεύματος διαρροής της διόδου C3D02060A SiC Schottky στις 200 μοίρες είναι μόνο 0,1 μ A/cm², που είναι τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτή των συσκευών πυριτίου.
Η υψηλή ισχύς του πεδίου διάσπασης μειώνει την αντίσταση αγωγιμότητας: Η ισχύς πεδίου διάσπασης 10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του πυριτίου (3MV/cm) επιτρέπει τη χρήση λεπτότερων στρώσεων ολίσθησης. Η αντίσταση αγωγιμότητας μιας διόδου SiC Schottky 1200 V είναι μόνο 0,8 m Ω, η οποία είναι 90% χαμηλότερη από αυτή μιας διόδου PIN πυριτίου και μειώνει την απώλεια αγωγιμότητας κατά 75%.
Βελτιστοποίηση της απαγωγής θερμότητας με υψηλή θερμική αγωγιμότητα: Η θερμική αγωγιμότητα 4,9 W/(cm · K) επιτρέπει τη γρήγορη μεταφορά θερμότητας στο υπόστρωμα απαγωγής θερμότητας. Οι δοκιμές σε έναν ελεγκτή κινητήρα ηλεκτρικού οχήματος έδειξαν ότι η χρήση διόδων SiC Schottky μειώνει τη θερμοκρασία σύνδεσης της συσκευής κατά 40 βαθμούς και βελτιώνει την απόδοση του συστήματος κατά 2,3% σε σύγκριση με τα διαλύματα πυριτίου.
2. Διαρθρωτική καινοτομία: Εξάλειψη της αποθήκευσης των μειοψηφικών φορέων
Οι δίοδοι SiC Schottky υιοθετούν μια μεταλλική δομή φραγμού ημιαγωγών, εξαλείφοντας εντελώς τη διαδικασία ανασυνδυασμού με έγχυση μειοψηφικού φορέα στις συνδέσεις PN και το φορτίο αντίστροφης ανάκτησης (Qrr) είναι μόνο το 1/20 αυτού των διόδων ταχείας ανάκτησης πυριτίου. Σε συχνότητα μεταγωγής 100 kHz, η απώλεια μεταγωγής μιας διόδου Schottky SiC 650 V μειώνεται κατά 82% σε σύγκριση με συσκευές πυριτίου, επιτρέποντας στο σύστημα ισχύος να λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες πάνω από 200 kHz και μειώνοντας τον όγκο των μαγνητικών στοιχείων κατά 60%.

3, Επαλήθευση απόδοσης τυπικών σεναρίων εφαρμογής
1. Στον τομέα των νέων ενεργειακών οχημάτων
Ο ελεγκτής κινητήρα Tesla Model 3 χρησιμοποιεί Cree C3M0075120K SiC MOSFET και αντίστοιχη δίοδο Schottky για να επιτύχει:

Η συχνότητα μεταγωγής αυξήθηκε στα 50 kHz, ο όγκος του επαγωγέα μειώθηκε κατά 40%
Η απόδοση του συστήματος φτάνει το 98,5%, που είναι 1,2% υψηλότερη από το διάλυμα πυριτίου
Το εύρος αυξήθηκε κατά 5-8%
2. Έλεγχος βιομηχανικών κλιβάνων υψηλής{1} θερμοκρασίας
Το σύστημα ισχύος μιας μηχανής συνεχούς χύτευσης σε μια συγκεκριμένη επιχείρηση χάλυβα υιοθετεί τη δίοδο ROHM SCH2080KE SiC Schottky. Μετά από συνεχή λειτουργία για 20000 ώρες σε περιβάλλον 150 μοιρών:

Το ρεύμα διαρροής παραμένει σταθερό κάτω από 0,5 μ A
Το ποσοστό αποτυχίας της συσκευής είναι 0
Ο κύκλος συντήρησης του συστήματος έχει επεκταθεί από 3 μήνες σε 2 χρόνια
3. Τροφοδοτικό της αεροδιαστημικής
Το σύστημα ισχύος του δορυφόρου Sentinel-6 της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας χρησιμοποιεί διόδους Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής ποδηλασίας σε κρύο και ζεστό κενό από -180 μοίρες έως+150 μοίρες :

Μετατόπιση παραμέτρων<0.5%
Αντοχή στην ακτινοβολία έως 100krad (Si)
Βάρος μειωμένο κατά 30% σε σύγκριση με το διάλυμα πυριτίου