¿Qué diodo es más estable en condiciones de alta temperatura?

一, Mecanismo de falla por alta temperatura de los diodos tradicionales basados ​​en silicio-
1. Sensibilidad a la temperatura de los diodos de unión PN
Los diodos de unión PN de silicio estándar presentan un doble riesgo de falla a altas temperaturas:

Degradación característica positiva: por cada aumento de 1 grado en la temperatura, la caída de voltaje directo disminuye aproximadamente 2 mV, lo que resulta en un aumento en la pérdida de conducción. Por ejemplo, a 150 grados, la caída de tensión directa del diodo rectificador 1N4007 disminuye de 0,7 V a temperatura ambiente a 0,4 V, pero la corriente de conducción aumenta tres veces debido al efecto de excitación térmica, lo que provoca un sobrecalentamiento local.
Tiempo de recuperación inversa extendido: la vida útil de las portadoras minoritarias se prolonga a altas temperaturas y el tiempo de recuperación inversa (trr) se extiende de 500 ns a temperatura ambiente a más de 2 μs, lo que resulta en pérdidas de conmutación significativas en aplicaciones de conmutación de alta-frecuencia. Un estudio de caso de un convertidor de frecuencia industrial muestra que cuando la temperatura ambiente aumenta de 25 grados a 125 grados, la pérdida de conmutación de los diodos de recuperación rápida tradicionales aumenta en un 47 %, lo que da como resultado que la temperatura de unión del módulo IGBT supere el estándar.
2. Fuga de la crisis actual de los diodos Schottky.
Aunque los diodos Schottky basados ​​en silicio-tienen una baja caída de tensión directa (0,2-0,4 V) y características de conmutación rápida, su unión metálica semiconductora expone defectos fatales a altas temperaturas:

Crecimiento inverso del índice de corriente de fuga: por cada aumento de 10 grados en la temperatura, la corriente de fuga se duplica. A 175 grados, la corriente de fuga del diodo Schottky MBR2045CT puede alcanzar los 10 mA, superando con creces su corriente inversa nominal (5 μ A a 25 grados). Los datos de prueba de un cargador de automóvil muestran que cuando la temperatura ambiente alcanza los 125 grados, la corriente de fuga de los diodos Schottky de silicio tradicionales provoca una disminución del 3,2% en la eficiencia del sistema.
Riesgo de fuga térmica: el calentamiento Joule generado por la corriente de fuga forma un circuito de retroalimentación positiva con la temperatura ambiente. Un experimento demostró que en un ambiente de 200 grados, un diodo Schottky de silicio no refrigerado se quema debido a una fuga térmica en 30 segundos.
3. Desequilibrio de voltaje del diodo Zener
Los diodos Zener enfrentan dos desafíos a altas temperaturas:

Deriva de voltaje Zener: con un coeficiente de temperatura de -2 mV/grado, el voltaje de salida del regulador de voltaje de 24 V puede desviarse a 22,8 V a 150 grados, afectando la estabilidad de los circuitos de precisión.
Atenuación máxima de potencia disipada: la resistencia térmica aumenta con la temperatura y la potencia disipada real de un determinado tubo regulador de voltaje de 1 W cae a 0,3 W a 125 grados, lo que provoca sobrecalentamiento y daños al dispositivo.
2, avance de alta temperatura del diodo de material de banda ancha
1. Diodo Schottky de SiC: redefiniendo la conductividad a altas temperaturas-
Los materiales de carburo de silicio logran un funcionamiento estable a altas-temperaturas basándose en tres características principales:

La banda prohibida amplia suprime la corriente de fuga: con una banda prohibida de 3,2 eV, la concentración de portador intrínseco de SiC a 200 grados es solo 1/10 de la del silicio. Los datos experimentales muestran que la densidad de corriente de fuga del diodo Schottky de SiC C3D02060A a 200 grados es de solo 0,1 μ A/cm ², tres órdenes de magnitud menor que la de los dispositivos de silicio.
La alta intensidad del campo de ruptura reduce la resistencia a la conducción: una intensidad del campo de ruptura 10 veces mayor que la del silicio (3 MV/cm) permite el uso de capas de deriva más delgadas. La resistencia de conducción de un diodo Schottky de SiC de 1200 V es de solo 0,8 m Ω, que es un 90 % menor que la de un diodo PIN de silicio y reduce la pérdida de conducción en un 75 %.
Optimización de la disipación de calor con alta conductividad térmica: una conductividad térmica de 4,9 W/(cm · K) permite una rápida transferencia de calor al sustrato de disipación de calor. Las pruebas realizadas en el controlador de un motor de un vehículo eléctrico han demostrado que el uso de diodos Schottky de SiC reduce la temperatura de la unión del dispositivo en 40 grados y mejora la eficiencia del sistema en un 2,3 % en comparación con las soluciones de silicio.
2. Innovación estructural: eliminar el almacenamiento de operadores minoritarios
Los diodos Schottky de SiC adoptan una estructura de barrera semiconductora de metal, lo que elimina por completo el proceso de recombinación de inyección de portadores minoritarios en las uniones PN, y su carga de recuperación inversa (Qrr) es solo 1/20 de la de los diodos de recuperación rápida de silicio. A una frecuencia de conmutación de 100 kHz, la pérdida de conmutación de un diodo Schottky de SiC de 650 V se reduce en un 82 % en comparación con los dispositivos de silicio, lo que permite que el sistema de energía funcione a altas frecuencias por encima de 200 kHz y reduce el volumen de los componentes magnéticos en un 60 %.

3. Verificación del rendimiento de escenarios de aplicación típicos.
1. En el ámbito de los vehículos de nuevas energías
El controlador de motor Tesla Model 3 utiliza un MOSFET de SiC Cree C3M0075120K y un diodo Schottky correspondiente para lograr:

La frecuencia de conmutación aumentó a 50 kHz y el volumen del inductor se redujo en un 40 %.
La eficiencia del sistema alcanza el 98,5%, un 1,2% más que la solución de silicio.
El alcance aumentó entre un 5 y un 8 %.
2. Control de hornos industriales de alta-temperatura
El sistema de energía de una máquina de colada continua en una determinada empresa siderúrgica adopta el diodo Schottky de SiC ROHM SCH2080KE. Después de un funcionamiento continuo durante 20.000 horas en un entorno de 150 grados:

La corriente de fuga se mantiene estable por debajo de 0,5 μ A
La tasa de falla del dispositivo es 0
Se amplía el ciclo de mantenimiento del sistema de 3 meses a 2 años
3. Suministro de energía aeroespacial
El sistema de energía del satélite Sentinel-6 de la Agencia Espacial Europea utiliza diodos Schottky de SiC Infineon IDH06G65C5XKSA1. Durante la prueba de ciclos de vacío en frío y en caliente de -180 grados a +150 grados:

Deriva de parámetros<0.5%
Resistencia a la radiación hasta 100 krad (Si)
Peso reducido en un 30% en comparación con la solución de silicio.