Diode nào ổn định hơn trong điều kiện nhiệt độ cao?

一, Cơ chế hư hỏng ở nhiệt độ cao của điốt dựa trên silicon{0}}truyền thống
1. Độ nhạy nhiệt độ của diode tiếp giáp PN
Điốt tiếp giáp silicon PN tiêu chuẩn có nguy cơ hỏng hóc kép ở nhiệt độ cao:

Suy giảm đặc tính tích cực: Cứ tăng nhiệt độ 1 độ, điện áp chuyển tiếp giảm khoảng 2mV, dẫn đến tăng tổn thất dẫn điện. Ví dụ, ở 150 độ, độ sụt điện áp chuyển tiếp của diode chỉnh lưu 1N4007 giảm từ 0,7V ở nhiệt độ phòng xuống 0,4V, nhưng dòng điện dẫn tăng gấp ba lần do hiệu ứng kích thích nhiệt, gây ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ.
Thời gian phục hồi ngược kéo dài: Tuổi thọ của các sóng mang thiểu số được kéo dài ở nhiệt độ cao và thời gian phục hồi ngược (trr) được kéo dài từ 500ns ở nhiệt độ phòng lên hơn 2 μs, dẫn đến tổn hao chuyển mạch đáng kể trong các ứng dụng chuyển đổi tần số-cao. Một nghiên cứu điển hình về bộ biến tần công nghiệp cho thấy khi nhiệt độ môi trường tăng từ 25 độ lên 125 độ, tổn thất chuyển mạch của điốt phục hồi nhanh truyền thống tăng 47%, dẫn đến nhiệt độ tiếp giáp mô-đun IGBT vượt quá tiêu chuẩn.
2. Khủng hoảng dòng rò của diode Schottky
Mặc dù điốt Schottky dựa trên silicon-có độ sụt điện áp chuyển tiếp thấp (0,2-0,4V) và đặc tính chuyển mạch nhanh, nhưng điểm nối bán dẫn kim loại của chúng bộc lộ những khiếm khuyết nghiêm trọng ở nhiệt độ cao:

Tăng trưởng chỉ số dòng rò ngược: Cứ tăng nhiệt độ 10 độ, dòng rò tăng gấp đôi. Ở 175 độ, dòng rò của diode Schottky MBR2045CT có thể đạt tới 10mA, vượt xa dòng điện ngược định mức của nó (5 μ A @ 25 độ). Dữ liệu thử nghiệm của bộ sạc ô tô cho thấy khi nhiệt độ môi trường lên tới 125 độ, dòng rò của điốt Schottky silicon truyền thống dẫn đến hiệu suất hệ thống giảm 3,2%.
Nguy cơ thoát nhiệt: Nhiệt lượng Joule sinh ra bởi dòng điện rò tạo thành một vòng phản hồi dương với nhiệt độ môi trường. Một thí nghiệm cho thấy trong môi trường 200 độ, một diode Schottky silicon không được làm mát sẽ bị cháy do thoát nhiệt trong vòng 30 giây.
3. Mất cân bằng điện áp của diode Zener
Điốt Zener phải đối mặt với những thách thức kép ở nhiệt độ cao:

Độ lệch điện áp Zener: Với hệ số nhiệt độ -2mV/độ, điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp 24V có thể lệch về 22,8V ở 150 độ, ảnh hưởng đến độ ổn định của mạch chính xác.
Suy giảm công suất tiêu tán tối đa: Điện trở nhiệt tăng theo nhiệt độ và công suất tiêu tán thực tế của ống ổn áp 1W nhất định giảm xuống 0,3W ở 125 độ, dẫn đến quá nhiệt và làm hỏng thiết bị.
2, Đột phá nhiệt độ cao của diode vật liệu dải rộng
1. Đi-ốt SiC Schottky: xác định lại độ dẫn nhiệt-cao
Vật liệu cacbua silic đạt được khả năng vận hành ổn định ở nhiệt độ-cao dựa trên ba đặc điểm chính:

Vùng cấm rộng ngăn chặn dòng rò: Với độ rộng vùng cấm 3,2eV, nồng độ chất mang nội tại của SiC ở 200 độ chỉ bằng 1/10 so với silicon. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy mật độ dòng rò của diode C3D02060A SiC Schottky ở 200 độ chỉ là 0,1 μ A/cm 2, thấp hơn ba bậc độ lớn so với thiết bị silicon.
Cường độ trường đánh thủng cao làm giảm điện trở dẫn: Cường độ trường đánh thủng gấp 10 lần so với silicon (3MV/cm) cho phép sử dụng các lớp trôi mỏng hơn. Điện trở dẫn của diode SiC Schottky 1200V chỉ 0,8m Ω, thấp hơn 90% so với diode silicon PIN và giảm tổn hao dẫn điện tới 75%.
Tối ưu hóa khả năng tản nhiệt với độ dẫn nhiệt cao: Độ dẫn nhiệt 4,9W/(cm · K) cho phép truyền nhiệt nhanh chóng đến đế tản nhiệt. Các thử nghiệm trên bộ điều khiển động cơ xe điện đã chỉ ra rằng việc sử dụng điốt SiC Schottky giúp giảm nhiệt độ điểm nối của thiết bị xuống 40 độ và cải thiện hiệu suất hệ thống thêm 2,3% so với giải pháp silicon.
2. Đổi mới cấu trúc: Loại bỏ việc lưu trữ của nhà mạng thiểu số
Điốt SiC Schottky sử dụng cấu trúc rào cản bán dẫn kim loại, loại bỏ hoàn toàn quá trình tái hợp tiêm chất mang thiểu số trong các điểm nối PN và điện tích phục hồi ngược (Qrr) của chúng chỉ bằng 1/20 so với điốt phục hồi nhanh silicon. Ở tần số chuyển mạch 100kHz, tổn thất chuyển mạch của diode SiC Schottky 650V giảm 82% so với các thiết bị silicon, cho phép hệ thống điện hoạt động ở tần số cao trên 200kHz và giảm 60% khối lượng của các bộ phận từ tính.

3, Xác minh hiệu suất của các kịch bản ứng dụng điển hình
1. Trong lĩnh vực phương tiện sử dụng năng lượng mới
Bộ điều khiển động cơ Tesla Model 3 sử dụng MOSFET Cree C3M0075120K SiC và điốt Schottky phù hợp để đạt được:

Tần số chuyển mạch tăng lên 50kHz, âm lượng cuộn cảm giảm 40%
Hiệu suất hệ thống đạt 98,5%, cao hơn 1,2% so với giải pháp silicon
Phạm vi tăng 5-8%
2. Kiểm soát lò nung-nhiệt độ cao công nghiệp
Hệ thống điện của máy đúc liên tục tại một doanh nghiệp thép sử dụng diode ROHM SCH2080KE SiC Schottky. Sau khi hoạt động liên tục trong 20000 giờ ở môi trường 150 độ:

Dòng rò duy trì ổn định dưới 0,5 μA
Tỷ lệ lỗi thiết bị là 0
Chu kỳ bảo trì hệ thống được kéo dài từ 3 tháng lên 2 năm
3. Cung cấp điện hàng không vũ trụ
Hệ thống điện của vệ tinh Sentinel-6 của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu sử dụng điốt Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky. Trong quá trình kiểm tra chu trình nóng và lạnh chân không từ -180 độ đến+150 độ :

Độ lệch tham số<0.5%
Khả năng chống bức xạ lên tới 100krad (Si)
Trọng lượng giảm 30% so với dung dịch silicon