Quelle diode est la plus stable dans des conditions de température élevée ?

一, Mécanisme de défaillance à haute température des diodes traditionnelles à base de silicium-
1. Sensibilité à la température des diodes à jonction PN
Les diodes à jonction PN au silicium standard présentent un double risque de défaillance à haute température :

Dégradation positive des caractéristiques : pour chaque augmentation de température de 1 degré, la chute de tension directe diminue d'environ 2 mV, ce qui entraîne une augmentation de la perte de conduction. Par exemple, à 150 degrés, la chute de tension directe de la diode de redressement 1N4007 diminue de 0,7 V à température ambiante à 0,4 V, mais le courant de conduction triple en raison de l'effet d'excitation thermique, provoquant une surchauffe locale.
Temps de récupération inverse étendu : la durée de vie des porteurs minoritaires est prolongée à des températures élevées et le temps de récupération inverse (trr) est étendu de 500 ns à température ambiante à plus de 2 μ s, ce qui entraîne des pertes de commutation importantes dans les applications de commutation à haute fréquence-. Une étude de cas d'un convertisseur de fréquence industriel montre que lorsque la température ambiante passe de 25 degrés à 125 degrés, la perte de commutation des diodes à récupération rapide traditionnelles augmente de 47 %, ce qui entraîne une température de jonction du module IGBT dépassant la norme.
2. Crise de courant de fuite des diodes Schottky
Bien que les diodes Schottky-à base de silicium présentent une faible chute de tension directe (0,2 - 0,4 V) et des caractéristiques de commutation rapides, leur jonction métal-semi-conducteur expose des défauts fatals à des températures élevées :

Croissance de l'indice de courant de fuite inversé : pour chaque augmentation de température de 10 degrés, le courant de fuite double. À 175 degrés, le courant de fuite de la diode Schottky MBR2045CT peut atteindre 10 mA, dépassant de loin son courant inverse nominal (5 μ A à 25 degrés). Les données de test d'un chargeur de voiture montrent que lorsque la température ambiante atteint 125 degrés, le courant de fuite des diodes Schottky au silicium traditionnelles entraîne une diminution de 3,2 % de l'efficacité du système.
Risque d'emballement thermique : l'échauffement Joule généré par le courant de fuite forme une boucle de rétroaction positive avec la température ambiante. Une expérience a montré que dans un environnement de 200 degrés, une diode Schottky au silicium non refroidie brûle en 30 secondes en raison d'un emballement thermique.
3. Déséquilibre de tension de la diode Zener
Les diodes Zener sont confrontées à deux défis à haute température :

Dérive de tension Zener : avec un coefficient de température de -2 mV/degré, la tension de sortie du régulateur de tension 24 V peut s'écarter de 22,8 V à 150 degrés, affectant la stabilité des circuits de précision.
Atténuation maximale de la puissance dissipée : la résistance thermique augmente avec la température et la puissance dissipée réelle d'un certain tube régulateur de tension de 1 W chute à 0,3 W à 125 degrés, entraînant une surchauffe et des dommages à l'appareil.
2, percée à haute température de la diode matérielle à large bande interdite
1. Diode Schottky SiC : redéfinir la conductivité à haute-température
Les matériaux en carbure de silicium permettent un fonctionnement stable à haute-température grâce à trois caractéristiques principales :

Une large bande interdite supprime le courant de fuite : avec une largeur de bande interdite de 3,2 eV, la concentration intrinsèque de porteurs de SiC à 200 degrés n'est que de 1/10 de celle du silicium. Les données expérimentales montrent que la densité de courant de fuite de la diode Schottky SiC C3D02060A à 200 degrés n'est que de 0,1 μ A/cm², soit trois ordres de grandeur inférieur à celui des dispositifs au silicium.
Une intensité de champ de claquage élevée réduit la résistance de conduction : une intensité de champ de claquage 10 fois supérieure à celle du silicium (3 MV/cm) permet l'utilisation de couches de dérive plus fines. La résistance de conduction d'une diode Schottky SiC 1 200 V n'est que de 0,8 m Ω, ce qui est 90 % inférieur à celle d'une diode PIN en silicium et réduit la perte de conduction de 75 %.
Optimisation de la dissipation thermique avec une conductivité thermique élevée : une conductivité thermique de 4,9 W/(cm · K) permet un transfert de chaleur rapide vers le substrat de dissipation thermique. Des tests sur un contrôleur de moteur de véhicule électrique ont montré que l'utilisation de diodes SiC Schottky réduit la température de jonction du dispositif de 40 degrés et améliore l'efficacité du système de 2,3 % par rapport aux solutions au silicium.
2. Innovation structurelle : éliminer le stockage des transporteurs minoritaires
Les diodes SiC Schottky adoptent une structure barrière à semi-conducteur métallique, éliminant complètement le processus de recombinaison par injection de porteurs minoritaires dans les jonctions PN, et leur charge de récupération inverse (Qrr) ne représente que 1/20 de celle des diodes à récupération rapide au silicium. À une fréquence de commutation de 100 kHz, la perte de commutation d'une diode Schottky SiC 650 V est réduite de 82 % par rapport aux dispositifs au silicium, permettant au système d'alimentation de fonctionner à des fréquences élevées supérieures à 200 kHz et réduisant le volume des composants magnétiques de 60 %.

3, Vérification des performances des scénarios d'application typiques
1. Dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles
Le contrôleur de moteur Tesla Model 3 utilise un MOSFET SiC Cree C3M0075120K et une diode Schottky correspondante pour obtenir :

Fréquence de commutation augmentée à 50 kHz, volume de l'inducteur réduit de 40 %
L'efficacité du système atteint 98,5 %, soit 1,2 % de plus que la solution au silicium
Portée augmentée de 5 à 8 %
2. Contrôle des fours industriels à haute-température
Le système d'alimentation d'une machine de coulée continue dans une certaine entreprise sidérurgique adopte la diode Schottky SiC ROHM SCH2080KE. Après un fonctionnement continu pendant 20 000 heures dans un environnement à 150 degrés :

Le courant de fuite reste stable en dessous de 0,5 μ A
Le taux de défaillance des appareils est de 0
Le cycle de maintenance du système a été allongé de 3 mois à 2 ans
3. Alimentation électrique aérospatiale
Le système d'alimentation du satellite Sentinel-6 de l'Agence spatiale européenne utilise des diodes Schottky SiC Infineon IDH06G65C5XKSA1. Pendant le test de cycle froid et chaud sous vide de -180 degrés à +150 degrés :

Dérive des paramètres<0.5%
Résistance aux radiations jusqu'à 100 krad (Si)
Poids réduit de 30% par rapport à la solution silicone