Quale diodo è più stabile in condizioni di alta temperatura?

一, Meccanismo di guasto ad alta temperatura dei tradizionali diodi a base di silicio-
1. Sensibilità alla temperatura dei diodi a giunzione PN
I diodi a giunzione PN al silicio standard presentano un duplice rischio di guasto alle alte temperature:

Degrado caratteristico positivo: per ogni aumento di 1 grado della temperatura, la caduta di tensione diretta diminuisce di circa 2 mV, con conseguente aumento della perdita di conduzione. Ad esempio, a 150 gradi, la caduta di tensione diretta del diodo raddrizzatore 1N4007 diminuisce da 0,7 V a temperatura ambiente a 0,4 V, ma la corrente di conduzione aumenta di tre volte a causa dell'effetto di eccitazione termica, causando un surriscaldamento locale.
Tempo di recupero inverso esteso: la durata dei portatori minoritari è prolungata alle alte temperature e il tempo di recupero inverso (trr) è esteso da 500 ns a temperatura ambiente a oltre 2 μ s, con conseguenti perdite di commutazione significative nelle applicazioni di commutazione ad alta-frequenza. Un caso di studio di un convertitore di frequenza industriale mostra che quando la temperatura ambiente aumenta da 25 gradi a 125 gradi, la perdita di commutazione dei tradizionali diodi a recupero rapido aumenta del 47%, con conseguente temperatura di giunzione del modulo IGBT superiore allo standard.
2. Crisi della corrente di dispersione dei diodi Schottky
Sebbene i diodi Schottky a base di silicio- abbiano una bassa caduta di tensione diretta (0,2-0,4 V) e caratteristiche di commutazione rapida, la loro giunzione metallo-semiconduttore espone difetti fatali alle alte temperature:

Crescita inversa dell'indice della corrente di dispersione: per ogni aumento di 10 gradi della temperatura, la corrente di dispersione raddoppia. A 175 gradi, la corrente di dispersione del diodo Schottky MBR2045CT può raggiungere 10 mA, superando di gran lunga la corrente inversa nominale (5 μ A a 25 gradi). I dati di test di un caricabatterie per auto mostrano che quando la temperatura ambiente raggiunge i 125 gradi, la corrente di dispersione dei tradizionali diodi Schottky al silicio porta ad una diminuzione del 3,2% nell'efficienza del sistema.
Rischio di fuga termica: il riscaldamento Joule generato dalla corrente di dispersione forma un circuito di feedback positivo con la temperatura ambiente. Un esperimento ha dimostrato che in un ambiente di 200 gradi, un diodo Schottky al silicio non raffreddato si brucia a causa della fuga termica entro 30 secondi.
3. Squilibrio di tensione del diodo Zener
I diodi Zener affrontano due sfide alle alte temperature:

Deriva della tensione Zener: con un coefficiente di temperatura di -2 mV/grado, la tensione di uscita del regolatore di tensione da 24 V può deviare a 22,8 V a 150 gradi, influenzando la stabilità dei circuiti di precisione.
Attenuazione massima della potenza dissipata: la resistenza termica aumenta con la temperatura e la potenza dissipata effettiva di un determinato tubo regolatore di tensione da 1 W scende a 0,3 W a 125 gradi, con conseguente surriscaldamento e danni al dispositivo.
2, innovazione ad alta temperatura del diodo materiale con ampia banda proibita
1. Diodo Schottky SiC: ridefinizione della conducibilità alle alte-temperature
I materiali in carburo di silicio raggiungono un funzionamento stabile alle alte-temperature in base a tre caratteristiche principali:

L'ampio gap di banda sopprime la corrente di dispersione: con un'ampiezza di bandgap di 3,2 eV, la concentrazione intrinseca del portatore di SiC a 200 gradi è solo 1/10 di quella del silicio. I dati sperimentali mostrano che la densità di corrente di dispersione del diodo Schottky SiC C3D02060A a 200 gradi è di soli 0,1 μ A/cm², ovvero tre ordini di grandezza inferiore a quella dei dispositivi al silicio.
L'elevata intensità del campo di rottura riduce la resistenza di conduzione: un'intensità del campo di rottura 10 volte quella del silicio (3 MV/cm) consente l'uso di strati di deriva più sottili. La resistenza di conduzione di un diodo Schottky SiC da 1200 V è di soli 0,8 m Ω, ovvero inferiore del 90% rispetto a quella di un diodo PIN al silicio e riduce la perdita di conduzione del 75%.
Ottimizzazione della dissipazione del calore con elevata conduttività termica: una conduttività termica di 4,9 W/(cm · K) consente un rapido trasferimento del calore al substrato di dissipazione del calore. I test sul controller del motore di un veicolo elettrico hanno dimostrato che l'utilizzo di diodi Schottky SiC riduce la temperatura di giunzione del dispositivo di 40 gradi e migliora l'efficienza del sistema del 2,3% rispetto alle soluzioni al silicio.
2. Innovazione strutturale: eliminazione dello stoccaggio dei vettori minoritari
I diodi Schottky SiC adottano una struttura a barriera semiconduttrice metallica, eliminando completamente il processo di ricombinazione dell'iniezione di portatori minoritari nelle giunzioni PN, e la loro carica di recupero inverso (Qrr) è solo 1/20 di quella dei diodi a recupero rapido al silicio. Ad una frequenza di commutazione di 100kHz, la perdita di commutazione di un diodo Schottky SiC da 650V è ridotta dell'82% rispetto ai dispositivi al silicio, consentendo al sistema di alimentazione di funzionare ad alte frequenze superiori a 200kHz e riducendo il volume dei componenti magnetici del 60%.

3, verifica delle prestazioni di scenari applicativi tipici
1. Nel campo dei veicoli a nuova energia
Il controller del motore Tesla Model 3 utilizza il MOSFET SiC Cree C3M0075120K e il diodo Schottky corrispondente per ottenere:

Frequenza di commutazione aumentata a 50kHz, volume dell'induttore ridotto del 40%
L'efficienza del sistema raggiunge il 98,5%, ovvero l'1,2% in più rispetto alla soluzione al silicio
Portata aumentata del 5-8%
2. Controllo dei forni industriali ad alta-temperatura
Il sistema di alimentazione di una macchina per colata continua in una determinata impresa siderurgica adotta il diodo Schottky SiC ROHM SCH2080KE. Dopo un funzionamento continuo per 20.000 ore in un ambiente a 150 gradi:

La corrente di dispersione rimane stabile al di sotto di 0,5 μ A
Il tasso di guasto del dispositivo è 0
Il ciclo di manutenzione del sistema è stato esteso da 3 mesi a 2 anni
3. Alimentazione aerospaziale
Il sistema di alimentazione del satellite Sentinel-6 dell'Agenzia spaziale europea utilizza diodi Schottky SiC Infineon IDH06G65C5XKSA1. Durante il test del ciclo di freddo e caldo sotto vuoto da -180 gradi a +150 gradi:

Deriva dei parametri<0.5%
Resistenza alle radiazioni fino a 100krad (Si)
Peso ridotto del 30% rispetto alla soluzione in silicone