Która dioda jest bardziej stabilna w warunkach wysokiej temperatury?

一, Mechanizm awarii w wysokiej temperaturze tradycyjnych diod krzemowych-
1. Czułość temperaturowa diod złącza PN
Standardowe krzemowe diody złącza PN wykazują podwójne ryzyko awarii w wysokich temperaturach:

Dodatnia degradacja charakterystyki: na każdy 1 stopień wzrostu temperatury spadek napięcia w przewodzie zmniejsza się o około 2 mV, co powoduje wzrost strat przewodzenia. Na przykład przy 150 stopniach spadek napięcia w kierunku przewodzenia diody prostowniczej 1N4007 zmniejsza się z 0,7 V w temperaturze pokojowej do 0,4 V, ale prąd przewodzenia wzrasta trzykrotnie z powodu efektu wzbudzenia termicznego, powodując lokalne przegrzanie.
Wydłużony czas odzyskiwania sygnału zwrotnego: żywotność nośników mniejszościowych jest wydłużona w wysokich temperaturach, a czas odzyskiwania sygnału zwrotnego (trr) wydłuża się z 500 ns w temperaturze pokojowej do ponad 2 μs, co powoduje znaczne straty przełączania w zastosowaniach związanych z przełączaniem-o wysokiej częstotliwości. Studium przypadku przemysłowej przetwornicy częstotliwości pokazuje, że gdy temperatura otoczenia wzrasta z 25 stopni do 125 stopni, straty przełączania tradycyjnych diod szybkiego odzyskiwania zwiększają się o 47%, w wyniku czego temperatura złącza modułu IGBT przekracza normę.
2. Kryzys prądu upływu diod Schottky'ego
Chociaż diody Schottky’ego-na bazie krzemu charakteryzują się niskim spadkiem napięcia przewodzenia (0,2–0,4 V) i szybką charakterystyką przełączania, ich metalowe złącze półprzewodnikowe naraża się na śmiertelne defekty w wysokich temperaturach:

Wzrost wskaźnika prądu upływowego wstecznego: na każde 10 stopni wzrostu temperatury prąd upływowy podwaja się. Przy 175 stopniach prąd upływu diody Schottky'ego MBR2045CT może osiągnąć 10 mA, znacznie przekraczając jej znamionowy prąd wsteczny (5 μA przy 25 stopniach). Dane testowe ładowarki samochodowej pokazują, że gdy temperatura otoczenia osiągnie 125 stopni, prąd upływowy tradycyjnych krzemowych diod Schottky'ego powoduje spadek wydajności systemu o 3,2%.
Ryzyko niekontrolowanej zmiany temperatury: Ogrzewanie Joule'a generowane przez prąd upływowy tworzy pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego z temperaturą otoczenia. Eksperyment wykazał, że w temperaturze 200 stopni niechłodzona krzemowa dioda Schottky'ego przepala się w ciągu 30 sekund z powodu niekontrolowanej utraty ciepła.
3. Asymetria napięcia diody Zenera
Diody Zenera stoją przed podwójnymi wyzwaniami w wysokich temperaturach:

Dryf napięcia Zenera: Przy współczynniku temperaturowym -2 mV/stopień napięcie wyjściowe regulatora napięcia 24 V może różnić się od 22,8 V przy 150 stopniach, wpływając na stabilność precyzyjnych obwodów.
Maksymalne tłumienie mocy rozproszonej: Opór cieplny wzrasta wraz z temperaturą, a rzeczywista moc rozproszona pewnej lampy regulatora napięcia o mocy 1 W spada do 0,3 W w temperaturze 125 stopni, co powoduje przegrzanie i uszkodzenie urządzenia.
2, Przebicie w wysokiej temperaturze diody materiałowej o szerokiej przerwie energetycznej
1. Dioda Schottky'ego SiC: nowa definicja przewodności w wysokich-temperaturach
Materiały z węglika krzemu zapewniają-stabilną pracę w wysokiej temperaturze w oparciu o trzy główne cechy:

Szerokie pasmo wzbronione tłumi prąd upływowy: przy szerokości pasma wzbronionego wynoszącej 3,2 eV wewnętrzne stężenie nośnika SiC w temperaturze 200 stopni wynosi tylko 1/10 stężenia krzemu. Dane eksperymentalne pokazują, że gęstość prądu upływu diody Schottky'ego C3D02060A SiC przy 200 stopniach wynosi zaledwie 0,1 μA/cm², czyli o trzy rzędy wielkości mniej niż w przypadku urządzeń krzemowych.
Wysoka siła pola przebicia zmniejsza opór przewodzenia: Natężenie pola przebicia 10 razy większe niż w przypadku krzemu (3MV/cm) pozwala na zastosowanie cieńszych warstw dryfu. Rezystancja przewodzenia diody Schottky'ego SiC 1200 V wynosi tylko 0,8 m Ω, czyli jest o 90% niższa niż w przypadku krzemowej diody PIN i zmniejsza straty przewodzenia o 75%.
Optymalizacja odprowadzania ciepła dzięki wysokiej przewodności cieplnej: Przewodność cieplna wynosząca 4,9 W/(cm · K) umożliwia szybkie przenoszenie ciepła do podłoża odprowadzającego ciepło. Testy sterownika silnika pojazdu elektrycznego wykazały, że zastosowanie diod SiC Schottky'ego obniża temperaturę złącza urządzenia o 40 stopni i poprawia wydajność układu o 2,3% w porównaniu do rozwiązań krzemowych.
2. Innowacje strukturalne: Eliminacja magazynowania przez przewoźników mniejszościowych
Diody SiC Schottky'ego przyjmują metalową strukturę bariery półprzewodnikowej, całkowicie eliminując proces rekombinacji wtrysku nośnika mniejszościowego w złączach PN, a ich ładunek odwrotny (Qrr) wynosi tylko 1/20 ładunku krzemowych diod szybkiego odzyskiwania. Przy częstotliwości przełączania 100 kHz straty przełączania diody Schottky'ego 650 V SiC są zmniejszone o 82% w porównaniu z urządzeniami krzemowymi, umożliwiając pracę systemu elektroenergetycznego przy wysokich częstotliwościach powyżej 200 kHz i zmniejszając objętość elementów magnetycznych o 60%.

3, Weryfikacja wydajności typowych scenariuszy zastosowań
1. W zakresie pojazdów nowej energii
Sterownik silnika Tesla Model 3 wykorzystuje Cree C3M0075120K SiC MOSFET i dopasowaną diodę Schottky'ego, aby osiągnąć:

Częstotliwość przełączania zwiększona do 50 kHz, głośność cewki zmniejszona o 40%
Sprawność układu sięga 98,5% i jest o 1,2% wyższa niż w przypadku rozwiązania krzemowego
Zasięg zwiększony o 5-8%
2. Sterowanie przemysłowymi piecami-wysokotemperaturowymi
W systemie zasilania maszyny do ciągłego odlewania w pewnym przedsiębiorstwie stalowym zastosowano diodę Schottky'ego ROHM SCH2080KE SiC. Po ciągłej pracy przez 20000 godzin w temperaturze 150 stopni:

Prąd upływowy pozostaje stabilny poniżej 0,5 μA
Wskaźnik awaryjności urządzenia wynosi 0
Cykl konserwacji systemu został wydłużony z 3 miesięcy do 2 lat
3. Zasilanie lotnicze
W systemie zasilania satelity Sentinel-6 Europejskiej Agencji Kosmicznej zastosowano diody Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky'ego. Podczas testu cyklicznego próżni na zimno i na gorąco od -180 stopni do +150 stopni:

Dryft parametrów<0.5%
Odporność na promieniowanie do 100 krad (Si)
Masa zmniejszona o 30% w porównaniu z rozwiązaniem silikonowym