Yüksek sıcaklık koşullarında hangi diyot daha kararlıdır?

一, Geleneksel silikon-bazlı diyotların yüksek sıcaklık arıza mekanizması
1. PN bağlantı diyotlarının sıcaklık hassasiyeti
Standart silikon PN bağlantı diyotları, yüksek sıcaklıklarda ikili bir arıza riski sergiler:

Pozitif karakteristik bozulma: Sıcaklıktaki her 1 derecelik artış için, ileri gerilim düşüşü yaklaşık 2mV azalır, bu da iletim kaybının artmasına neden olur. Örneğin 150 derecede, 1N4007 doğrultucu diyotun ileri voltaj düşüşü oda sıcaklığında 0,7V'tan 0,4V'a düşer, ancak termal uyarma etkisi nedeniyle iletim akımı üç kat artarak lokal aşırı ısınmaya neden olur.
Uzatılmış ters toparlanma süresi: Azınlık taşıyıcılarının ömrü yüksek sıcaklıklarda uzar ve ters toparlanma süresi (trr) oda sıcaklığında 500 ns'den 2 μ s'nin üzerine çıkar, bu da yüksek-frekans anahtarlama uygulamalarında önemli anahtarlama kayıplarına neden olur. Endüstriyel frekans dönüştürücüye ilişkin bir örnek olay çalışması, ortam sıcaklığı 25 dereceden 125 dereceye yükseldiğinde, geleneksel hızlı kurtarma diyotlarının anahtarlama kaybının %47 oranında arttığını, bunun da IGBT modül bağlantı sıcaklığının standardı aşmasıyla sonuçlandığını göstermektedir.
2. Schottky diyotların kaçak akım krizi
Silikon-bazlı Schottky diyotlar düşük ileri voltaj düşüşüne (0,2-0,4V) ve hızlı anahtarlama özelliklerine sahip olsa da, metal yarı iletken bağlantıları yüksek sıcaklıklarda ölümcül kusurları ortaya çıkarır:

Kaçak akım endeksi büyümesinin tersine çevrilmesi: Sıcaklıktaki her 10 derecelik artış, kaçak akımın iki katına çıkmasını sağlar. 175 derecede, MBR2045CT Schottky diyotun kaçak akımı 10 mA'ya ulaşabilir, bu da nominal ters akımını (25 derecede 5 μ A) çok aşabilir. Bir araç şarj cihazının test verileri, ortam sıcaklığı 125 dereceye ulaştığında, geleneksel silikon Schottky diyotların kaçak akımının sistem verimliliğinde %3,2'lik bir düşüşe yol açtığını göstermektedir.
Termal kaçak riski: Kaçak akımın ürettiği Joule ısınması, ortam sıcaklığıyla pozitif bir geri besleme döngüsü oluşturur. Bir deney, 200 derecelik bir ortamda, soğutulmamış bir silikon Schottky diyotun, termal kaçak nedeniyle 30 saniye içinde yandığını gösterdi.
3. Zener diyotun voltaj dengesizliği
Zener diyotları yüksek sıcaklıklarda ikili zorluklarla karşı karşıyadır:

Zener voltaj sapması: -2mV/ derece sıcaklık katsayısı ile 24V voltaj regülatörünün çıkış voltajı 150 derecede 22,8V'a kadar sapabilir ve bu durum hassas devrelerin stabilitesini etkileyebilir.
Maksimum harcanan güç zayıflaması: Termal direnç sıcaklıkla birlikte artar ve belirli bir 1W voltaj regülatör tüpünün gerçek dağılan gücü 125 derecede 0,3W'a düşer, bu da cihazın aşırı ısınmasına ve hasar görmesine neden olur.
2, Geniş bant aralıklı malzeme diyotunun yüksek sıcaklık atılımı
1. SiC Schottky diyot: yüksek-sıcaklık iletkenliğini yeniden tanımlamak
Silisyum karbür malzemeler, üç ana özelliğe dayalı olarak yüksek-sıcaklıkta kararlı çalışma sağlar:

Geniş bant aralığı kaçak akımı bastırır: 3,2eV bant aralığı genişliği ile SiC'nin 200 derecede içsel taşıyıcı konsantrasyonu silikonunkinin yalnızca 1/10'udur. Deneysel veriler, C3D02060A SiC Schottky diyotun 200 derecede kaçak akım yoğunluğunun yalnızca 0,1 μ A/cm² olduğunu göstermektedir; bu, silikon cihazlarınkinden üç kat daha düşüktür.
Yüksek kırılma alanı kuvveti, iletim direncini azaltır: Silikonun 10 katı (3MV/cm) kırılma alanı kuvveti, daha ince sürüklenme katmanlarının kullanılmasına olanak tanır. 1200V SiC Schottky diyotun iletim direnci yalnızca 0,8m Ω'dur; bu, silikon PIN diyotunkinden %90 daha düşüktür ve iletim kaybını %75 oranında azaltır.
Yüksek termal iletkenlik ile ısı dağılımını optimize etme: 4,9 W/(cm · K) termal iletkenlik, ısı dağıtım alt katmanına hızlı ısı aktarımı sağlar. Elektrikli araç motor kontrol cihazı üzerinde yapılan testler, SiC Schottky diyotlarının kullanılmasının, cihaz bağlantı sıcaklığını 40 derece azalttığını ve silikon çözümlere kıyasla sistem verimliliğini %2,3 oranında artırdığını göstermiştir.
2. Yapısal yenilik: Azınlık taşıyıcı depolamasının ortadan kaldırılması
SiC Schottky diyotları, PN bağlantılarındaki azınlık taşıyıcı enjeksiyon rekombinasyon sürecini tamamen ortadan kaldıran metal yarı iletken bariyer yapısını benimser ve ters geri kazanım yükü (Qrr), silikon hızlı geri kazanım diyotlarınınkinin yalnızca 1/20'sidir. 100kHz anahtarlama frekansında, 650V SiC Schottky diyotun anahtarlama kaybı silikon cihazlara kıyasla %82 oranında azaltılarak güç sisteminin 200kHz'in üzerindeki yüksek frekanslarda çalışmasına ve manyetik bileşenlerin hacminin %60 oranında azaltılmasına olanak tanır.

3, Tipik uygulama senaryolarının performans doğrulaması
1. Yeni enerji araçları alanında
Tesla Model 3 motor kontrol cihazı, aşağıdakileri başarmak için Cree C3M0075120K SiC MOSFET'i ve uyumlu Schottky diyotunu kullanır:

Anahtarlama frekansı 50kHz'e çıkarıldı, indüktör hacmi %40 azaltıldı
Sistem verimliliği %98,5'e ulaşır; bu, silikon çözeltisinden %1,2 daha yüksektir
Menzil %5-8 arttı
2. Endüstriyel yüksek-sıcaklık fırınlarının kontrolü
Belirli bir çelik işletmesindeki sürekli döküm makinesinin güç sistemi, ROHM SCH2080KE SiC Schottky diyotunu kullanıyor. 150 derecelik ortamda 20000 saat sürekli çalışma sonrasında:

Kaçak akım 0,5 μ A'nın altında sabit kalır
Cihaz arıza oranı 0
Sistem bakım döngüsü 3 aydan 2 yıla çıkarıldı
3. Havacılık güç kaynağı
Avrupa Uzay Ajansı'nın Sentinel-6 uydusunun güç sistemi Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky diyotlarını kullanıyor. -180 dereceden +150 dereceye kadar vakum soğuk ve sıcak döngü testi sırasında:

Parametre sapması<0.5%
100krad'a (Si) kadar radyasyon direnci
Ağırlık, silikon solüsyona kıyasla %30 oranında azaltıldı