Koja je dioda stabilnija u uvjetima visoke temperature?

一, Mehanizam kvara na visokim temperaturama tradicionalnih dioda na bazi silicija-
1. Temperaturna osjetljivost dioda PN spoja
Standardne silicijske PN spojne diode pokazuju dvostruki rizik od kvara na visokim temperaturama:

Degradacija pozitivne karakteristike: Za svaki porast temperature od 1 stupnja, pad napona prema naprijed smanjuje se za oko 2 mV, što rezultira povećanjem gubitka vodljivosti. Na primjer, pri 150 stupnjeva, pad napona 1N4007 ispravljačke diode smanjuje se s 0,7 V na sobnoj temperaturi na 0,4 V, ali se struja vodljivosti povećava tri puta zbog učinka toplinske pobude, uzrokujući lokalno pregrijavanje.
Produljeno vrijeme povratnog oporavka: životni vijek manjinskih nositelja produljuje se na visokim temperaturama, a vrijeme obrnutog oporavka (trr) produžuje se s 500 ns na sobnoj temperaturi na više od 2 μs, što dovodi do značajnih prekidačkih gubitaka u visoko-frekventnim komutacijskim aplikacijama. Studija slučaja industrijskog pretvarača frekvencije pokazuje da kada temperatura okoline poraste s 25 stupnjeva na 125 stupnjeva, gubitak preklapanja tradicionalnih dioda za brzi oporavak povećava se za 47%, što rezultira temperaturom spoja IGBT modula koja prelazi standard.
2. Kriza struje odvoda Schottky dioda
Iako Schottky diode temeljene na siliciju-imaju nizak pad napona (0,2-0,4 V) i karakteristike brzog prebacivanja, njihov metalni poluvodički spoj izlaže fatalne nedostatke na visokim temperaturama:

Rast indeksa obrnute struje curenja: Za svakih 10 stupnjeva povećanja temperature, struja curenja se udvostručuje. Na 175 stupnjeva, struja curenja MBR2045CT Schottky diode može doseći 10 mA, daleko premašujući nazivnu obrnutu struju (5 μ A pri 25 stupnjeva). Podaci o ispitivanju auto punjača pokazuju da kada temperatura okoline dosegne 125 stupnjeva, struja curenja tradicionalnih silicijskih Schottky dioda dovodi do smanjenja učinkovitosti sustava od 3,2%.
Rizik od toplinskog odlaska: Jouleovo zagrijavanje generirano strujom curenja stvara pozitivnu povratnu spregu s temperaturom okoline. Eksperiment je pokazao da u okruženju od 200 stupnjeva nehlađena silicijska Schottky dioda izgori zbog toplinskog odlaska unutar 30 sekundi.
3. Neravnoteža napona Zener diode
Zener diode suočavaju se s dvostrukim izazovima pri visokim temperaturama:

Zenerov pomak napona: S temperaturnim koeficijentom od -2mV/stupanj, izlazni napon 24V regulatora napona može odstupati do 22,8V na 150 stupnjeva, utječući na stabilnost preciznih sklopova.
Maksimalno smanjenje disipirane snage: toplinski otpor raste s temperaturom, a stvarna disipirana snaga određene cijevi regulatora napona od 1 W pada na 0,3 W pri 125 stupnjeva, što dovodi do pregrijavanja i oštećenja uređaja.
2, Visokotemperaturni prodor širokopojasne materijalne diode
1. SiC Schottky dioda: redefiniranje visoko{1}}temperaturne vodljivosti
Materijali od silicijevog karbida postižu stabilan rad na visokim-temperaturama na temelju tri glavne karakteristike:

Široki razmak pojasa potiskuje struju curenja: Sa širinom razmaka pojasa od 3,2 eV, intrinzična koncentracija nositelja SiC-a na 200 stupnjeva samo je 1/10 koncentracije silicija. Eksperimentalni podaci pokazuju da je gustoća struje curenja C3D02060A SiC Schottky diode na 200 stupnjeva samo 0,1 μ A/cm², što je tri reda veličine niže nego kod silicijskih uređaja.
Visoka jakost probojnog polja smanjuje otpor vodljivosti: Snaga probojnog polja 10 puta veća od silicija (3MV/cm) omogućuje upotrebu tanjih slojeva pomaka. Otpor provođenja 1200 V SiC Schottky diode je samo 0,8 m Ω, što je 90% niže od otpora silicijske PIN diode i smanjuje gubitak provođenja za 75%.
Optimiziranje rasipanja topline uz visoku toplinsku vodljivost: Toplinska vodljivost od 4,9 W/(cm · K) omogućuje brzi prijenos topline na podlogu za disipaciju topline. Testovi na kontroleru motora električnih vozila pokazali su da upotreba SiC Schottky dioda smanjuje temperaturu spoja uređaja za 40 stupnjeva i poboljšava učinkovitost sustava za 2,3% u usporedbi sa silicijskim otopinama.
2. Strukturna inovacija: Uklanjanje pohranjivanja manjinskih nosača
SiC Schottky diode usvajaju strukturu metalne poluvodičke barijere, u potpunosti eliminirajući proces rekombinacije manjinskih nositelja u PN spojevima, a njihov reverzni naboj povrata (Qrr) je samo 1/20 naboja silicijevih dioda s brzim povratom. Na frekvenciji preklapanja od 100 kHz, gubitak komutacije 650 V SiC Schottky diode smanjen je za 82% u usporedbi sa silicijskim uređajima, omogućujući sustavu napajanja da radi na visokim frekvencijama iznad 200 kHz i smanjuje volumen magnetskih komponenti za 60%.

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

Frekvencija prebacivanja povećana na 50kHz, volumen induktora smanjen za 40%
Učinkovitost sustava doseže 98,5%, što je 1,2% više od otopine silicija
Raspon povećan za 5-8%
2. Kontrola industrijskih visokotemperaturnih peći-
Sustav napajanja stroja za kontinuirano lijevanje u određenom čeličnom poduzeću koristi ROHM SCH2080KE SiC Schottky diodu. Nakon neprekidnog rada od 20 000 sati na temperaturi od 150 stupnjeva:

Struja curenja ostaje stabilna ispod 0,5 μA
Stopa kvarova uređaja je 0
Ciklus održavanja sustava produljen je s 3 mjeseca na 2 godine
3. Zrakoplovno napajanje
Sustav napajanja satelita Sentinel-6 Europske svemirske agencije koristi Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky diode. Tijekom testa ciklusa vakuuma na hladno i vruće od -180 stupnjeva do +150 stupnjeva:

Odstupanje parametara<0.5%
Otpornost na zračenje do 100krad (Si)
Težina smanjena za 30% u usporedbi s otopinom silicija