Quin díode és més estable en condicions d'alta temperatura?

一, Mecanisme de fallada a alta temperatura dels díodes tradicionals basats en silici{0}
1. Sensibilitat a la temperatura dels díodes d'unió PN
Els díodes d'unió PN de silici estàndard presenten un doble risc de fallada a altes temperatures:

Degradació característica positiva: per cada augment d'1 grau de temperatura, la caiguda de tensió directa disminueix uns 2 mV, donant lloc a un augment de la pèrdua de conducció. Per exemple, a 150 graus, la caiguda de tensió directa del díode rectificador 1N4007 disminueix de 0,7 V a temperatura ambient a 0,4 V, però el corrent de conducció augmenta per tres a causa de l'efecte d'excitació tèrmica, provocant un sobreescalfament local.
Temps de recuperació inversa estès: la vida útil dels portadors minoritaris s'allarga a altes temperatures i el temps de recuperació inversa (trr) s'allarga des de 500 ns a temperatura ambient fins a més de 2 μ s, donant lloc a pèrdues de commutació importants en aplicacions de commutació d'alta-freqüència. Un estudi de cas d'un convertidor de freqüència industrial mostra que quan la temperatura ambient augmenta de 25 graus a 125 graus, la pèrdua de commutació dels díodes de recuperació ràpida tradicional augmenta un 47%, donant lloc a que la temperatura de la unió del mòdul IGBT superi l'estàndard.
2. Crisi actual de fuga dels díodes Schottky
Tot i que els díodes Schottky basats en silici- tenen una baixa caiguda de tensió directa (0,2-0,4 V) i característiques de commutació ràpida, la seva unió metàl·lica de semiconductors exposa defectes fatals a altes temperatures:

Creixement de l'índex de corrent de fuga inversa: per cada augment de temperatura de 10 graus, el corrent de fuga es duplica. A 175 graus, el corrent de fuga del díode Schottky MBR2045CT pot arribar als 10 mA, superant amb escreix el seu corrent invers nominal (5 μ A @ 25 graus). Les dades de prova d'un carregador de cotxe mostren que quan la temperatura ambient arriba als 125 graus, el corrent de fuga dels díodes Schottky de silici tradicionals condueix a una disminució del 3,2% de l'eficiència del sistema.
Risc de fuga tèrmica: l'escalfament de Joule generat pel corrent de fuga forma un bucle de retroalimentació positiva amb la temperatura ambient. Un experiment va demostrar que en un entorn de 200 graus, un díode Schottky de silici sense refrigerar es crema a causa d'una fugida tèrmica en 30 segons.
3. Desequilibri de tensió del díode Zener
Els díodes Zener s'enfronten a un doble repte a altes temperatures:

Deriva de tensió Zener: amb un coeficient de temperatura de -2 mV/grau, la tensió de sortida del regulador de tensió de 24 V pot desviar-se a 22,8 V a 150 graus, afectant l'estabilitat dels circuits de precisió.
Màxima atenuació de la potència dissipada: la resistència tèrmica augmenta amb la temperatura i la potència real dissipada d'un determinat tub regulador de tensió d'1 W cau a 0,3 W a 125 graus, provocant un sobreescalfament i danys al dispositiu.
2, Avanç d'alta temperatura del díode de material de banda ampla
1. Díode Schottky SiC: redefinició de la conductivitat a alta-temperatura
Els materials de carbur de silici aconsegueixen un funcionament estable a -alta temperatura basat en tres característiques principals:

L'ample bandgap suprimeix el corrent de fuga: amb una amplada de banda intercalada de 3,2 eV, la concentració intrínseca del portador de SiC a 200 graus és només 1/10 de la del silici. Les dades experimentals mostren que la densitat de corrent de fuga del díode C3D02060A SiC Schottky a 200 graus és només de 0,1 μ A/cm², que és tres ordres de magnitud inferior a la dels dispositius de silici.
L'alta intensitat de camp de ruptura redueix la resistència a la conducció: una intensitat de camp de ruptura 10 vegades superior a la del silici (3MV/cm) permet l'ús de capes de deriva més fines. La resistència de conducció d'un díode Schottky SiC de 1200 V és de només 0,8 m Ω, que és un 90% més baixa que la d'un díode PIN de silici i redueix la pèrdua de conducció en un 75%.
Optimització de la dissipació de calor amb alta conductivitat tèrmica: una conductivitat tèrmica de 4,9 W/(cm · K) permet una ràpida transferència de calor al substrat de dissipació de calor. Les proves en un controlador de motor de vehicle elèctric han demostrat que l'ús de díodes SiC Schottky redueix la temperatura de la unió del dispositiu en 40 graus i millora l'eficiència del sistema en un 2,3% en comparació amb les solucions de silici.
2. Innovació estructural: eliminació de l'emmagatzematge de portadors minoritaris
Els díodes SiC Schottky adopten una estructura de barrera metàl·lica de semiconductors, eliminant completament el procés de recombinació d'injecció de portadors minoritaris a les unions PN, i la seva càrrega de recuperació inversa (Qrr) és només 1/20 de la dels díodes de recuperació ràpida de silici. A una freqüència de commutació de 100 kHz, la pèrdua de commutació d'un díode Schottky de 650 V SiC es redueix un 82% en comparació amb els dispositius de silici, permetent que el sistema d'alimentació funcioni a freqüències altes per sobre de 200 kHz i redueix el volum dels components magnètics en un 60%.

3, Verificació del rendiment dels escenaris d'aplicació típics
1. En l'àmbit dels vehicles de nova energia
El controlador de motor Tesla Model 3 utilitza un MOSFET SiC Cree C3M0075120K i un díode Schottky coincident per aconseguir:

La freqüència de commutació va augmentar a 50 kHz, el volum de l'inductor es va reduir un 40%
L'eficiència del sistema arriba al 98,5%, que és un 1,2% superior a la solució de silici
L'abast augmentat un 5-8%
2. Control de forns industrials-d'alta temperatura
El sistema d'alimentació d'una màquina de fosa contínua en una determinada empresa d'acer adopta el díode Schottky ROHM SCH2080KE SiC. Després d'un funcionament continu durant 20.000 hores a un entorn de 150 graus:

El corrent de fuga es manté estable per sota de 0,5 μ A
La taxa de fallada del dispositiu és 0
El cicle de manteniment del sistema s'ha ampliat de 3 mesos a 2 anys
3. Font d'energia aeroespacial
El sistema d'alimentació del satèl·lit Sentinel-6 de l'Agència Espacial Europea utilitza díodes Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky. Durant la prova de cicle de buit fred i calent de -180 graus a +150 graus:

Deriva de paràmetres<0.5%
Resistència a la radiació fins a 100 krad (Si)
Pes reduït un 30% en comparació amb la solució de silici