أي الدايود يكون أكثر استقرارا في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة؟

一، آلية فشل درجات الحرارة العالية للثنائيات التقليدية القائمة على السيليكون-.
1. حساسية درجة الحرارة لثنائيات الوصلة PN
تظهر ثنائيات الوصلة PN السيليكونية القياسية خطرًا مزدوجًا للفشل في درجات الحرارة المرتفعة:

تدهور الخصائص الإيجابية: لكل زيادة بمقدار درجة واحدة في درجة الحرارة، ينخفض ​​انخفاض الجهد الأمامي بحوالي 2 مللي فولت، مما يؤدي إلى زيادة في فقدان التوصيل. على سبيل المثال، عند 150 درجة، ينخفض ​​انخفاض الجهد الأمامي لصمام الثنائي المقوم 1N4007 من 0.7 فولت عند درجة حرارة الغرفة إلى 0.4 فولت، لكن تيار التوصيل يزيد ثلاثة أضعاف بسبب تأثير الإثارة الحرارية، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة المحلية.
وقت الاسترداد العكسي الممتد: يتم إطالة عمر الموجات الحاملة الأقلية عند درجات حرارة عالية، ويتم تمديد وقت الاسترداد العكسي (trr) من 500ns في درجة حرارة الغرفة إلى أكثر من 2 ميكروثانية، مما يؤدي إلى خسائر تحويل كبيرة في -تطبيقات تبديل التردد العالي. أظهرت دراسة حالة لمحول التردد الصناعي أنه عندما ترتفع درجة الحرارة المحيطة من 25 درجة إلى 125 درجة، فإن فقدان التحويل لثنائيات الاسترداد السريع التقليدية يزيد بنسبة 47%، مما يؤدي إلى تجاوز درجة حرارة وصلة وحدة IGBT المعيار.
2. أزمة تيار التسرب لثنائيات شوتكي
على الرغم من أن صمامات شوتكي الثنائية القائمة على السيليكون تتميز بانخفاض الجهد الأمامي المنخفض (0.2-0.4 فولت) وخصائص التبديل السريع، فإن وصلات أشباه الموصلات المعدنية الخاصة بها تكشف عن عيوب قاتلة عند درجات الحرارة العالية:

عكس نمو مؤشر تيار التسرب: لكل زيادة بمقدار 10 درجات في درجة الحرارة، يتضاعف تيار التسرب. عند 175 درجة، يمكن أن يصل تيار التسرب لصمام ثنائي شوتكي MBR2045CT إلى 10 مللي أمبير، وهو ما يتجاوز بكثير التيار العكسي المقدر (5 ميكرو أمبير عند 25 درجة). تظهر بيانات الاختبار الخاصة بشاحن السيارة أنه عندما تصل درجة الحرارة المحيطة إلى 125 درجة، فإن تيار التسرب لثنائيات شوتكي السيليكونية التقليدية يؤدي إلى انخفاض بنسبة 3.2% في كفاءة النظام.
خطر الانفلات الحراري: يشكل تسخين الجول الناتج عن تيار التسرب حلقة تغذية مرتدة إيجابية مع درجة الحرارة المحيطة. أظهرت تجربة أنه في بيئة تبلغ درجة حرارتها 200 درجة، يحترق صمام ثنائي شوتكي السيليكون غير المبرد بسبب الهروب الحراري خلال 30 ثانية.
3. عدم توازن الجهد في ديود زينر
تواجه ثنائيات زينر تحديات مزدوجة في درجات الحرارة المرتفعة:

انجراف جهد زينر: مع معامل درجة حرارة -2 مللي فولت/درجة، قد ينحرف جهد الخرج لمنظم الجهد 24 فولت إلى 22.8 فولت عند 150 درجة، مما يؤثر على استقرار الدوائر الدقيقة.
الحد الأقصى لتبديد الطاقة: تزداد المقاومة الحرارية مع درجة الحرارة، وتنخفض الطاقة الفعلية المتبددة لأنبوب منظم جهد 1 وات معين إلى 0.3 وات عند 125 درجة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وتلف الجهاز.
2، ارتفاع درجة الحرارة اختراق الصمام الثنائي المواد ذات فجوة واسعة
1. ثنائي SiC شوتكي: إعادة تعريف الموصلية عند درجة الحرارة العالية
تحقق مواد كربيد السيليكون تشغيلًا مستقرًا عند درجة حرارة عالية-اعتمادًا على ثلاث خصائص رئيسية:

تعمل فجوة النطاق الواسعة على منع تسرب التيار: مع عرض فجوة نطاق يبلغ 3.2 فولت، فإن تركيز الحامل الجوهري لـ SiC عند 200 درجة هو 1/10 فقط من تركيز السيليكون. تظهر البيانات التجريبية أن كثافة تيار التسرب لصمام ثنائي شوتكي C3D02060A SiC عند 200 درجة تبلغ 0.1 ميكرو أمبير/سم ² فقط، وهو أقل بثلاثة أوامر من حيث الحجم من أجهزة السيليكون.
تقلل قوة مجال الانهيار العالية من مقاومة التوصيل: تسمح قوة مجال الانهيار 10 أضعاف قوة السيليكون (3MV/cm) باستخدام طبقات انجراف أرق. تبلغ مقاومة التوصيل لصمام ثنائي SiC Schottky 1200V 0.8 متر أوم فقط، وهو أقل بنسبة 90% من مقاومة الصمام الثنائي PIN السيليكوني ويقلل من فقدان التوصيل بنسبة 75%.
تحسين تبديد الحرارة من خلال الموصلية الحرارية العالية: تتيح الموصلية الحرارية البالغة 4.9 وات/(سم · كلفن) نقل الحرارة بسرعة إلى الركيزة التي تعمل على تبديد الحرارة. أظهرت الاختبارات التي أجريت على وحدة التحكم في محرك السيارة الكهربائية أن استخدام ثنائيات SiC Schottky يقلل من درجة حرارة توصيل الجهاز بمقدار 40 درجة ويحسن كفاءة النظام بنسبة 2.3% مقارنة بمحاليل السيليكون.
2. الابتكار الهيكلي: القضاء على تخزين ناقلات الأقلية
تعتمد ثنائيات SiC Schottky على هيكل حاجز معدني لأشباه الموصلات، مما يقضي تمامًا على عملية إعادة تركيب حقن حامل الأقلية في تقاطعات PN، وتبلغ شحنة الاسترداد العكسي (Qrr) 1/20 فقط من تلك الخاصة بثنائيات الاسترداد السريع المصنوعة من السيليكون. عند تردد تبديل يبلغ 100 كيلو هرتز، يتم تقليل فقدان التبديل لصمام ثنائي SiC Schottky 650V بنسبة 82% مقارنة بأجهزة السيليكون، مما يسمح لنظام الطاقة بالعمل بترددات عالية أعلى من 200 كيلو هرتز وتقليل حجم المكونات المغناطيسية بنسبة 60%.

3، التحقق من أداء سيناريوهات التطبيق النموذجية
1. في مجال مركبات الطاقة الجديدة
تستخدم وحدة التحكم في المحرك Tesla Model 3 Cree C3M0075120K SiC MOSFET وصمام شوتكي المطابق لتحقيق:

زيادة تردد التحويل إلى 50 كيلو هرتز، وتقليل حجم المحث بنسبة 40%
تصل كفاءة النظام إلى 98.5%، وهي أعلى بنسبة 1.2% من محلول السيليكون
زاد النطاق بنسبة 5-8%
2. التحكم في الأفران الصناعية ذات درجات الحرارة العالية-.
نظام الطاقة لآلة الصب المستمر في بعض شركات الصلب يعتمد ROHM SCH2080KE SiC Schottky diode. بعد التشغيل المستمر لمدة 20000 ساعة في بيئة 150 درجة:

يظل تيار التسرب مستقرًا أقل من 0.5 μ A
معدل فشل الجهاز هو 0
تم تمديد دورة صيانة النظام من 3 أشهر إلى سنتين
3. إمدادات الطاقة الفضائية
يستخدم نظام الطاقة للقمر الصناعي Sentinel-6 التابع لوكالة الفضاء الأوروبية صمامات Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky. أثناء اختبار التدوير الفراغي البارد والساخن من -180 درجة إلى +150 درجة:

انحراف المعلمة<0.5%
مقاومة الإشعاع حتى 100krad (Si)
تم تقليل الوزن بنسبة 30% مقارنة بمحلول السيليكون