Vilken diod är mer stabil under höga temperaturer?

一, Högtemperaturfelmekanism för traditionella-kiselbaserade dioder
1. Temperaturkänslighet för PN-övergångsdioder
Standard PN-övergångsdioder av kisel uppvisar en dubbel risk för fel vid höga temperaturer:

Positiv karakteristisk försämring: För varje 1 gradsökning i temperatur, minskar framspänningsfallet med cirka 2mV, vilket resulterar i en ökning av ledningsförlusten. Till exempel, vid 150 grader, minskar framspänningsfallet för likriktardioden 1N4007 från 0,7V vid rumstemperatur till 0,4V, men ledningsströmmen ökar tre gånger på grund av termisk excitationseffekt, vilket orsakar lokal överhettning.
Förlängd omvänd återhämtningstid: Livslängden för minoritetsbärare förlängs vid höga temperaturer, och den omvända återhämtningstiden (trr) förlängs från 500 ns vid rumstemperatur till över 2 μs, vilket resulterar i betydande omkopplingsförluster i hög-omkopplingsapplikationer. En fallstudie av en industriell frekvensomvandlare visar att när omgivningstemperaturen stiger från 25 grader till 125 grader ökar kopplingsförlusten för traditionella snabbåterställningsdioder med 47 %, vilket resulterar i att IGBT-modulövergångstemperaturen överstiger standarden.
2. Läckströmskris för Schottky-dioder
Även om kisel-baserade Schottky-dioder har lågt framåtspänningsfall (0,2-0,4V) och snabba omkopplingsegenskaper, exponerar deras metallhalvledarövergång fatala defekter vid höga temperaturer:

Omvänd ökning av läckströmsindex: För varje 10 graders ökning av temperaturen fördubblas läckströmmen. Vid 175 grader kan läckströmmen för MBR2045CT Schottky-dioden nå 10mA, vilket vida överstiger dess märkström (5 μA @ 25 grader). Testdata från en billaddare visar att när omgivningstemperaturen når 125 grader leder läckströmmen för traditionella Schottky-kiseldioder till en 3,2 % minskning av systemets effektivitet.
Risk för termisk rusning: Jouleuppvärmning som genereras av läckström bildar en positiv återkopplingsslinga med omgivningstemperatur. Ett experiment visade att i en miljö på 200 grader brinner en okyld Schottky-kiseldiod ut på grund av termisk rusning inom 30 sekunder.
3. Spänningsobalans hos Zenerdioden
Zenerdioder står inför dubbla utmaningar vid höga temperaturer:

Zenerspänningsdrift: Med en temperaturkoefficient på -2mV/grad kan utspänningen från 24V-spänningsregulatorn avvika till 22,8V vid 150 grader, vilket påverkar stabiliteten hos precisionskretsar.
Maximal effektdämpning: Den termiska resistansen ökar med temperaturen, och den faktiska förbrukade effekten av ett visst 1W spänningsregulatorrör sjunker till 0,3W vid 125 grader, vilket resulterar i överhettning och skada på enheten.
2, Högtemperaturgenombrott av materialdiod med bred bandgap
1. SiC Schottky-diod: omdefinierar hög-temperaturledningsförmåga
Kiselkarbidmaterial uppnår hög-temperaturstabil drift baserat på tre huvudegenskaper:

Brett bandgap undertrycker läckström: Med en bandgapbredd på 3,2 eV är den inneboende bärarkoncentrationen av SiC vid 200 grader endast 1/10 av den för kisel. Experimentella data visar att läckströmstätheten för C3D02060A SiC Schottky-diod vid 200 grader endast är 0,1 μ A/cm ², vilket är tre storleksordningar lägre än för kiselenheter.
Hög nedbrytningsfältstyrka minskar ledningsmotståndet: En nedbrytningsfältstyrka 10 gånger den för kisel (3MV/cm) möjliggör användning av tunnare driftlager. Ledningsresistansen för en 1200V SiC Schottky-diod är endast 0,8 m Ω, vilket är 90 % lägre än för en PIN-kiseldiod och minskar ledningsförlusten med 75 %.
Optimering av värmeavledning med hög värmeledningsförmåga: En värmeledningsförmåga på 4,9W/(cm · K) möjliggör snabb värmeöverföring till värmeavledningssubstratet. Tester på en motorstyrenhet för elfordon har visat att användning av SiC Schottky-dioder minskar enhetens kopplingstemperatur med 40 grader och förbättrar systemets effektivitet med 2,3 % jämfört med kisellösningar.
2. Strukturell innovation: Eliminera lagring av minoritetsbärare
SiC Schottky-dioder antar en metallhalvledarbarriärstruktur, vilket helt eliminerar rekombinationsprocessen för minoritetsbäraresinjektion i PN-övergångar, och deras omvända återvinningsladdning (Qrr) är endast 1/20 av den för snabbåterställningsdioder av kisel. Vid en omkopplingsfrekvens på 100 kHz reduceras omkopplingsförlusten för en 650V SiC Schottky-diod med 82 % jämfört med kiselenheter, vilket gör att kraftsystemet kan arbeta vid höga frekvenser över 200 kHz och minska volymen av magnetiska komponenter med 60 %.

3, Prestandaverifiering av typiska tillämpningsscenarier
1. Inom området nya energifordon
Tesla Model 3 motorstyrenhet använder Cree C3M0075120K SiC MOSFET och matchande Schottky-diod för att uppnå:

Växlingsfrekvens ökad till 50 kHz, induktorvolym minskad med 40 %
Systemets effektivitet når 98,5 %, vilket är 1,2 % högre än kisellösningen
Intervallet ökat med 5-8 %
2. Kontroll av industriella hög-temperaturugnar
Kraftsystemet för en stränggjutningsmaskin i ett visst stålföretag använder ROHM SCH2080KE SiC Schottky-diod. Efter kontinuerlig drift i 20 000 timmar i 150 graders miljö:

Läckströmmen förblir stabil under 0,5 μA
Enhetens felfrekvens är 0
Systemunderhållscykeln har förlängts från 3 månader till 2 år
3. Strömförsörjning för flyg
Kraftsystemet för European Space Agencys Sentinel-6-satellit använder Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky-dioder. Under vakuumtestet för kall och varm cykling från -180 grader till +150 grader:

Parameterdrift<0.5%
Strålningsmotstånd upp till 100krad (Si)
Vikt minskad med 30 % jämfört med silikonlösning