Koja dioda je stabilnija pri visokim temperaturama?

一, Visokotemperaturni mehanizam kvara tradicionalnih silikonskih{0}}dioda
1. Temperaturna osjetljivost dioda PN spoja
Standardne silikonske PN diode imaju dvostruki rizik od kvara na visokim temperaturama:

Degradacija pozitivne karakteristike: Za svaki porast temperature za 1 stepen, pad napona se smanjuje za oko 2mV, što rezultira povećanjem gubitka provodljivosti. Na primjer, pri 150 stepeni, pad napona ispravljačke diode 1N4007 opada sa 0,7 V na sobnoj temperaturi na 0,4 V, ali struja provodljivosti se povećava trostruko zbog efekta termalne pobude, što uzrokuje lokalno pregrijavanje.
Produženo vrijeme povratnog oporavka: Životni vijek manjinskih nosača se produžava na visokim temperaturama, a vrijeme povratnog oporavka (trr) se produžava sa 500ns na sobnoj temperaturi na preko 2 μs, što rezultira značajnim gubicima pri prebacivanju u visoko-primjenama za prebacivanje. Studija slučaja industrijskog frekventnog pretvarača pokazuje da kada temperatura okoline poraste sa 25 stepeni na 125 stepeni, prekidački gubitak tradicionalnih brzih dioda za oporavak raste za 47%, što dovodi do toga da temperatura spoja IGBT modula premašuje standardnu.
2. Kriza struje curenja Šotkijevih dioda
Iako Schottky diode na bazi silikona{0}}imaju nizak pad napona (0,2-0,4V) i karakteristike brzog prebacivanja, njihov metalni poluprovodnički spoj otkriva fatalne defekte na visokim temperaturama:

Rast indeksa reverzne struje curenja: Za svakih 10 stepeni povećanja temperature, struja curenja se udvostručuje. Na 175 stepeni, struja curenja MBR2045CT Schottky diode može doseći 10 mA, daleko premašujući njenu nominalnu reverznu struju (5 μ A @ 25 stepeni). Podaci testa auto punjača pokazuju da kada temperatura okoline dostigne 125 stepeni, struja curenja tradicionalnih silicijumskih Šotkijevih dioda dovodi do smanjenja efikasnosti sistema za 3,2%.
Rizik od toplotnog bijega: Joule zagrijavanje uzrokovano strujom curenja stvara pozitivnu povratnu petlju sa temperaturom okoline. Eksperiment je pokazao da u okruženju od 200 stepeni, nehlađena silicijumska Šotkijeva dioda izgara usled toplotnog bijega u roku od 30 sekundi.
3. Neravnoteža napona Zener diode
Zener diode se suočavaju s dvostrukim izazovima na visokim temperaturama:

Zener naponski drift: Sa temperaturnim koeficijentom od -2mV/stepen, izlazni napon regulatora napona od 24V može odstupiti do 22,8V na 150 stepeni, što utiče na stabilnost preciznih kola.
Maksimalno slabljenje raspršene snage: Termički otpor raste s temperaturom, a stvarna disipirana snaga određene cijevi regulatora napona od 1W pada na 0,3W na 125 stupnjeva, što rezultira pregrijavanjem i oštećenjem uređaja.
2, Visokotemperaturni proboj diode materijala sa širokim razmakom
1. SiC Schottky dioda: redefiniranje visoko{1}}provodljivosti na visokim temperaturama
Materijali od silicijum karbida postižu rad na visoko-temperaturno stabilnom radu na osnovu tri glavne karakteristike:

Široki pojas suzbija struju curenja: Sa širinom pojasa od 3,2eV, intrinzična koncentracija nosioca SiC-a na 200 stepeni je samo 1/10 od silicijumske. Eksperimentalni podaci pokazuju da je gustina struje curenja C3D02060A SiC Schottky diode na 200 stepeni samo 0,1 μ A/cm², što je tri reda veličine niže od one kod silicijumskih uređaja.
Visoka jačina polja proboja smanjuje otpornost provodljivosti: Jačina polja proboja 10 puta veća od silicijuma (3MV/cm) omogućava upotrebu tanjih drift slojeva. Otpor provodljivosti 1200V SiC Schottky diode je samo 0,8m Ω, što je 90% niže od otpora silikonske PIN diode i smanjuje gubitak provodljivosti za 75%.
Optimizacija odvođenja toplote uz visoku toplotnu provodljivost: toplotna provodljivost od 4,9 W/(cm · K) omogućava brz prenos toplote na podlogu za rasipanje toplote. Testovi na kontroleru motora električnog vozila su pokazali da upotreba SiC Schottky dioda smanjuje temperaturu spoja uređaja za 40 stepeni i poboljšava efikasnost sistema za 2,3% u poređenju sa silicijumskim rešenjima.
2. Strukturne inovacije: Ukidanje skladištenja manjinskih nosača
SiC Schottky diode imaju metalnu poluvodičku barijernu strukturu, potpuno eliminišući proces rekombinacije ubrizgavanja manjinskog nosioca u PN spojevima, a njihov povratni naboj (Qrr) je samo 1/20 od silicijumskih dioda sa brzim obnavljanjem. Na frekvenciji preklapanja od 100 kHz, prekidački gubitak 650 V SiC Schottky diode je smanjen za 82% u poređenju sa silicijumskim uređajima, omogućavajući sistemu napajanja da radi na visokim frekvencijama iznad 200 kHz i smanjuje zapreminu magnetnih komponenti za 60%.

3, Provjera performansi tipičnih scenarija primjene
1. U oblasti novih energetskih vozila
Kontroler motora Tesla Model 3 koristi Cree C3M0075120K SiC MOSFET i odgovarajuću Schottky diodu za postizanje:

Frekvencija prebacivanja povećana na 50kHz, zapremina induktora smanjena za 40%
Efikasnost sistema dostiže 98,5%, što je 1,2% više od rastvora silikona
Raspon povećan za 5-8%
2. Kontrola industrijskih -peći na visokim temperaturama
Sistem napajanja mašine za kontinualno livenje u određenom čeličnom preduzeću usvaja ROHM SCH2080KE SiC Schottky diodu. Nakon kontinuiranog rada od 20000 sati na 150 stepeni okruženja:

Struja curenja ostaje stabilna ispod 0,5 μ A
Stopa kvara uređaja je 0
Ciklus održavanja sistema je produžen sa 3 mjeseca na 2 godine
3. Napajanje za vazduhoplovstvo
Sistem napajanja satelita Sentinel-6 Evropske svemirske agencije koristi Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky diode. Tokom vakuumskog hladnog i vrućeg ciklusnog testa od -180 stepeni do +150 stepeni:

Odstupanje parametara<0.5%
Otpornost na zračenje do 100krad (Si)
Težina smanjena za 30% u odnosu na rastvor silikona