کدام دیود در شرایط دمای بالا پایدارتر است؟

一، مکانیسم خرابی دمای بالا دیودهای مبتنی بر{0} سیلیکون سنتی
1. حساسیت به دما دیودهای اتصال PN
دیودهای اتصال PN سیلیکونی استاندارد در دماهای بالا خطر خرابی دوگانه را نشان می دهند:

تخریب مشخصه مثبت: به ازای هر 1 درجه افزایش دما، افت ولتاژ رو به جلو حدود 2 میلی ولت کاهش می یابد و در نتیجه افت رسانایی افزایش می یابد. به عنوان مثال، در 150 درجه، افت ولتاژ پیشروی دیود یکسو کننده 1N4007 از 0.7 ولت در دمای اتاق به 0.4 ولت کاهش می یابد، اما جریان هدایت به دلیل اثر تحریک حرارتی سه برابر افزایش می یابد و باعث گرمای بیش از حد موضعی می شود.
زمان بازیابی معکوس طولانی‌تر: طول عمر حامل‌های اقلیتی در دماهای بالا طولانی می‌شود و زمان بازیابی معکوس (trr) از 500 نانوثانیه در دمای اتاق به بیش از 2 میکرو ثانیه افزایش می‌یابد که منجر به تلفات کلیدی قابل توجهی در برنامه‌های سوئیچینگ فرکانس بالا می‌شود. مطالعه موردی مبدل فرکانس صنعتی نشان می‌دهد که وقتی دمای محیط از 25 درجه به 125 درجه افزایش می‌یابد، افت سوئیچینگ دیودهای بازیابی سریع سنتی تا 47 درصد افزایش می‌یابد و در نتیجه دمای محل اتصال ماژول IGBT از حد استاندارد فراتر می‌رود.
2. بحران جریان نشتی دیودهای شاتکی
اگرچه دیودهای شاتکی مبتنی بر{0} سیلیکون دارای افت ولتاژ رو به جلو کم (0.2-0.4V) و ویژگی های سوئیچینگ سریع هستند، اتصال نیمه هادی فلزی آنها نقص های کشنده را در دماهای بالا نشان می دهد:

رشد شاخص جریان نشتی معکوس: به ازای هر 10 درجه افزایش دما، جریان نشتی دو برابر می شود. در 175 درجه، جریان نشتی دیود شاتکی MBR2045CT می تواند به 10 میلی آمپر برسد که بسیار بیشتر از جریان معکوس نامی آن (5 μA @ 25 درجه) است. داده های آزمایشی یک شارژر خودرو نشان می دهد که وقتی دمای محیط به 125 درجه می رسد، جریان نشتی دیودهای شاتکی سیلیکونی سنتی منجر به کاهش 3.2 درصدی راندمان سیستم می شود.
خطر فرار حرارتی: گرمایش ژول ایجاد شده توسط جریان نشتی یک حلقه بازخورد مثبت با دمای محیط تشکیل می دهد. یک آزمایش نشان داد که در یک محیط 200 درجه، یک دیود شاتکی سیلیکونی خنک نشده به دلیل فرار حرارتی در عرض 30 ثانیه می سوزد.
3. عدم تعادل ولتاژ دیود زنر
دیودهای زنر در دماهای بالا با چالش های دوگانه روبرو هستند:

رانش ولتاژ زنر: با ضریب دمایی -2mV/درجه، ولتاژ خروجی تنظیم کننده ولتاژ 24 ولت ممکن است به 22.8 ولت در 150 درجه منحرف شود و بر پایداری مدارهای دقیق تأثیر بگذارد.
حداکثر تضعیف توان تلف شده: مقاومت حرارتی با افزایش دما افزایش می‌یابد و توان تلف شده واقعی یک لوله تنظیم کننده ولتاژ 1 وات در 125 درجه به 0.3 وات کاهش می‌یابد که منجر به داغ شدن بیش از حد و آسیب به دستگاه می‌شود.
2، دستیابی به موفقیت در دمای بالا دیود مواد باندگپ گسترده
1. دیود شاتکی SiC: بازتعریف رسانایی دمای بالا
مواد کاربید سیلیکون بر اساس سه ویژگی اصلی به عملکرد پایدار در دمای{0} بالا دست می‌یابند:

گپ گسترده جریان نشتی را سرکوب می کند: با عرض باند 3.2eV، غلظت حامل ذاتی SiC در 200 درجه تنها 1/10 سیلیسیم است. داده‌های تجربی نشان می‌دهند که چگالی جریان نشتی دیود شاتکی SiC C3D02060A در 200 درجه تنها 0.1 μ A/cm² است که سه مرتبه قدر کمتر از دستگاه‌های سیلیکونی است.
قدرت میدان شکست بالا مقاومت رسانایی را کاهش می‌دهد: قدرت میدان شکست 10 برابر سیلیکون (3MV/cm) امکان استفاده از لایه‌های رانش نازک‌تر را می‌دهد. مقاومت رسانایی یک دیود شاتکی SiC 1200 ولت تنها 0.8 متر اهم است که 90 درصد کمتر از دیود پین سیلیکونی است و 75 درصد از دست دادن هدایت را کاهش می دهد.
بهینه سازی اتلاف گرما با رسانایی حرارتی بالا: رسانایی حرارتی 4.9W/(cm · K) انتقال سریع گرما را به زیرلایه اتلاف گرما امکان پذیر می کند. آزمایش‌های روی کنترل‌کننده موتور خودروی الکتریکی نشان داده است که استفاده از دیودهای SiC Schottky دمای اتصال دستگاه را تا 40 درجه کاهش می‌دهد و راندمان سیستم را 2.3 درصد در مقایسه با محلول‌های سیلیکونی بهبود می‌بخشد.
2. نوآوری ساختاری: حذف ذخیره سازی اقلیت حامل
دیودهای SiC Schottky از ساختار سد نیمه هادی فلزی استفاده می کنند، که فرآیند نوترکیبی تزریق حامل اقلیت را در اتصالات PN کاملاً حذف می کند و شارژ بازیابی معکوس آنها (Qrr) تنها 1/20 دیودهای بازیابی سریع سیلیکون است. در فرکانس سوئیچینگ 100 کیلوهرتز، افت سوئیچینگ دیود شاتکی SiC 650 ولت در مقایسه با دستگاه های سیلیکونی 82 درصد کاهش می یابد و به سیستم قدرت اجازه می دهد در فرکانس های بالای 200 کیلوهرتز کار کند و حجم اجزای مغناطیسی را تا 60 درصد کاهش می دهد.

3، تأیید عملکرد سناریوهای برنامه معمولی
1. در زمینه خودروهای انرژی نو
کنترلر موتور تسلا مدل 3 از Cree C3M0075120K SiC MOSFET و دیود شاتکی منطبق برای دستیابی به موارد زیر استفاده می کند:

فرکانس سوئیچینگ به 50 کیلوهرتز افزایش یافت، حجم سلف تا 40٪ کاهش یافت
راندمان سیستم به 98.5٪ می رسد که 1.2٪ بیشتر از محلول سیلیکون است.
دامنه 5-8٪ افزایش یافته است
2. کنترل کوره های صنعتی با دمای بالا-
سیستم قدرت یک ماشین ریخته گری پیوسته در یک شرکت فولادی خاص از دیود ROHM SCH2080KE SiC Schottky استفاده می کند. پس از کار مداوم به مدت 20000 ساعت در محیط 150 درجه:

جریان نشتی کمتر از 0.5 میکرو آمپر ثابت می ماند
میزان خرابی دستگاه 0 است
چرخه نگهداری سیستم از 3 ماه به 2 سال افزایش یافته است
3. منبع تغذیه هوافضا
سیستم قدرت ماهواره Sentinel-6 آژانس فضایی اروپا از دیودهای Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky استفاده می کند. در طول تست دوچرخه سواری سرد و گرم خلاء از -180 درجه تا{7}} درجه:

دریفت پارامتر<0.5%
مقاومت در برابر تشعشع تا 100 کراد (Si)
وزن نسبت به محلول سیلیکون 30 درصد کاهش یافته است