Какой диод более стабилен в условиях высоких температур?

一, Механизм выхода из строя традиционных кремниевых-диодов при высоких температурах
1. Температурная чувствительность диодов с PN переходом.
Стандартные кремниевые диоды с PN-переходом подвержены двойному риску выхода из строя при высоких температурах:

Положительное ухудшение характеристик: при повышении температуры на каждый градус прямое падение напряжения уменьшается примерно на 2 мВ, что приводит к увеличению потерь проводимости. Например, при 150 градусах прямое падение напряжения выпрямительного диода 1N4007 уменьшается с 0,7В при комнатной температуре до 0,4В, но ток проводимости увеличивается в три раза из-за эффекта теплового возбуждения, вызывая локальный перегрев.
Увеличенное время обратного восстановления. Срок службы неосновных носителей увеличивается при высоких температурах, а время обратного восстановления (trr) увеличивается с 500 нс при комнатной температуре до более 2 мкс, что приводит к значительным потерям переключения в приложениях с высокочастотным переключением. Исследование промышленного преобразователя частоты показывает, что при повышении температуры окружающей среды с 25 до 125 градусов потери переключения традиционных диодов с быстрым восстановлением увеличиваются на 47%, в результате чего температура перехода модуля IGBT превышает стандарт.
2. Кризис тока утечки диодов Шоттки.
Хотя диоды Шоттки на основе кремния-имеют низкое прямое падение напряжения (0,2–0,4 В) и характеристики быстрого переключения, их металл-полупроводниковый переход подвергается фатальным дефектам при высоких температурах:

Рост индекса обратного тока утечки: на каждые 10 градусов повышения температуры ток утечки удваивается. При 175 градусах ток утечки диода Шоттки MBR2045CT может достигать 10 мА, что намного превышает его номинальный обратный ток (5 мкА при 25 градусах). Данные испытаний автомобильного зарядного устройства показывают, что при температуре окружающей среды до 125 градусов ток утечки традиционных кремниевых диодов Шоттки приводит к снижению эффективности системы на 3,2%.
Риск температурного разгона: Джоулев нагрев, вызванный током утечки, образует петлю положительной обратной связи с температурой окружающей среды. Эксперимент показал, что в среде 200 градусов неохлаждаемый кремниевый диод Шоттки сгорает из-за теплового разгона в течение 30 секунд.
3. Дисбаланс напряжения стабилитрона.
Стабилитроны сталкиваются с двумя проблемами при высоких температурах:

Дрейф напряжения Зенера: при температурном коэффициенте -2 мВ/градус выходное напряжение регулятора напряжения 24 В может отклоняться до 22,8 В при 150 градусах, что влияет на стабильность прецизионных схем.
Максимальное затухание рассеиваемой мощности: термическое сопротивление увеличивается с температурой, а фактическая рассеиваемая мощность определенной трубки регулятора напряжения мощностью 1 Вт падает до 0,3 Вт при 125 градусах, что приводит к перегреву и повреждению устройства.
2. Высокотемпературный прорыв диода с широкой запрещенной зоной.
1. SiC-диод Шоттки: новое определение высокотемпературной проводимости
Карбидокремниевые материалы обеспечивают стабильную работу при высоких-температурах благодаря трем основным характеристикам:

Широкая запрещенная зона подавляет ток утечки: при ширине запрещенной зоны 3,2 эВ собственная концентрация носителей заряда SiC при 200 градусах составляет всего 1/10 от концентрации кремния. Экспериментальные данные показывают, что плотность тока утечки SiC-диода Шоттки C3D02060A при 200 градусах составляет всего 0,1 мкА/см², что на три порядка ниже, чем у кремниевых устройств.
Высокая напряженность поля пробоя снижает сопротивление проводимости: напряженность поля пробоя в 10 раз выше, чем у кремния (3 МВ/см), что позволяет использовать более тонкие дрейфовые слои. Сопротивление проводимости SiC-диода Шоттки на 1200 В составляет всего 0,8 мОм, что на 90 % ниже, чем у кремниевого PIN-диода, и снижает потери проводимости на 75 %.
Оптимизация рассеивания тепла за счет высокой теплопроводности: теплопроводность 4,9 Вт/(см · К) обеспечивает быструю передачу тепла к теплоотводящей подложке. Испытания контроллера двигателя электромобиля показали, что использование SiC-диодов Шоттки снижает температуру перехода устройства на 40 градусов и повышает эффективность системы на 2,3% по сравнению с кремниевыми решениями.
2. Структурные инновации: устранение хранилищ миноритарных операторов связи
В SiC-диодах Шоттки используется металл-полупроводниковая барьерная структура, полностью исключающая процесс рекомбинации инжекции неосновных носителей в PN-переходах, а их заряд обратного восстановления (Qrr) составляет всего 1/20 от заряда кремниевых диодов с быстрым восстановлением. При частоте переключения 100 кГц потери переключения SiC-диода Шоттки 650 В уменьшаются на 82% по сравнению с кремниевыми устройствами, что позволяет системе питания работать на высоких частотах выше 200 кГц и уменьшает объем магнитных компонентов на 60%.

3. Проверка производительности типичных сценариев применения.
1. В области транспортных средств на новой энергии
Контроллер двигателя Tesla Model 3 использует SiC MOSFET Cree C3M0075120K и соответствующий диод Шоттки для достижения:

Частота переключения увеличена до 50 кГц, объем дросселя уменьшен на 40 %.
КПД системы достигает 98,5%, что на 1,2% выше, чем у кремниевого решения.
Дальность увеличена на 5-8%
2. Управление промышленными высокотемпературными-печами.
В системе питания машины непрерывного литья заготовок на одном металлургическом предприятии используется SiC-диод Шоттки ROHM SCH2080KE. После непрерывной работы в течение 20 000 часов при температуре 150 градусов:

Ток утечки остается стабильным ниже 0,5 мкА.
Процент отказов устройства равен 0.
Цикл обслуживания системы увеличен с 3 месяцев до 2 лет.
3. Аэрокосмический источник питания
В системе питания спутника Sentinel-6 Европейского космического агентства используются SiC-диоды Шоттки Infineon IDH06G65C5XKSA1. Во время вакуумного испытания на холодную и горячую цикличность от -180 до +150 градусов:

Дрейф параметра<0.5%
Радиационная стойкость до 100крад (Si)
Вес уменьшен на 30% по сравнению с кремниевым решением.