Сгорает диод шоттки

Вот тема, которая постоянно всплывает в разговорах с коллегами по цеху и в техподдержке: ?Сгорает диод Шоттки?. Часто сразу грешат на брак или перегрев, но в реальности всё сложнее. Многие, особенно те, кто только начинает работать с силовой электроникой, упускают из виду тонкости работы именно с барьером Шоттки, считая его просто ?быстрым диодом?. Это ключевая ошибка. Сам по себе факт выхода из строя — это почти всегда симптом, а не коренная причина. В этой заметке хочу поделиться наблюдениями, которые накопил за годы работы с полупроводниками, в том числе и с продукцией, которую мы, в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий, разрабатываем и производим. Наш сайт wfdz.ru — это, по сути, витрина нашей глубокой компетенции в технологических процессах для силовых приборов, и диоды Шоттки — один из наших ключевых продуктов. Так что сталкиваюсь с вопросами по их применению и отказам регулярно.

Откуда вообще берется проблема ?сгорания??

Когда говорят ?сгорел?, обычно имеют в виду катастрофический отказ — КЗ или обрыв. С диодом Шоттки чаще первый вариант. И первое, что проверяют — не превышен ли прямой ток или напряжение обратного смещения. Это база, но часто проблема лежит глубже. Характеристики, заявленные в даташите, справедливы для определенных условий. А в реальной схеме эти условия могут нарушаться десятком разных способов.

Вот классический пример из практики: разработчик ставит наш диод Шоттки серии, скажем, SBL3045PT на выходе импульсного источника питания. Номиналы по току и напряжению с запасом. Но через месяц-другой начинаются отказы. Разбор полетов показывает, что в схеме есть паразитная индуктивность дорожек, а коммутация происходит очень быстро. Возникают выбросы напряжения при обратном восстановлении. Хотя у Шоттки этот процесс намного быстрее, чем у p-n диодов, и заряд обратного восстановления (Qrr) мизерный, он всё же не нулевой. И если цепь недемпфирована, эти выбросы могут легко превысить Vrrm. Диод не успевает ?сгореть? мгновенно, но каждый цикл — это микроудар по барьеру. Деградация, лавинный пробой — и вот он, отказ.

Поэтому мой первый совет: смотрите не только на статические параметры в даташите. Скачайте модель SPICE с нашего сайта wfdz.ru для конкретного компонента и промоделируйте переходные процессы в вашей конкретной топологии. Особенно внимательно к форме тока при выключении и напряжению на клеммах. Часто ?виноватым? оказывается не сам диод Шоттки, а окружающая его обвязка или layout платы.

Тепловой режим — не всё так просто, как кажется

Конечно, перегрев. Всегда тычут пальцем в него. И правильно делают, но часто оценивают неверно. Tj max = 150°C — это не рабочая температура, это предел, после которого гарантированно наступает разрушение. Для надежной долговременной работы нужно держаться значительно ниже, скажем, на 20-25°C от этого предела. И вот здесь начинается самое интересное.

Rth(j-a) — тепловое сопротивление переход-окружающая среда — величина, указанная для идеальных условий тестовой платы. На реальной плате, в корпусе, с соседними греющимися компонентами (тем же MOSFET), реальное тепловое сопротивление будет выше. Иногда значительно. Я видел случаи, когда радиатор был подобран по учебнику, но плохой монтаж (недожатая винтовая сборка, недостаточный слой термопасты) увеличивал Rth на 30-40%. Диод Шоттки, особенно в мощных исполнениях, очень чувствителен к температуре кристалла. С ростом Tj растет и ток утечки обратного смещения (Ir). А это уже положительная обратная связь: больше тока утечки -> больше тепла -> еще больше утечки -> тепловой разгон. И он сгорает, да.

Что делать? Во-первых, не экономить на теплоотводе и качестве монтажа. Во-вторых, прикидывать температуру не ?в среднем?, а в худшем случае — при максимальной нагрузке, максимальной ambient температуре в самом жарком углу корпуса. И в-третьих, помнить, что тепловой расчет — это не точная наука, а искусство оценки. Всегда закладывайте запас.

Выбор компонента: почему ?просто аналоги? не работают

Частая история: в производстве решают сделать замену на аналог подешевле. Берут диод Шоттки с такими же Iavg и Vrrm. Ставят. И начинаются проблемы. Потому что кроме этих двух цифр есть масса других. Та самая Qrr, о которой я уже говорил. Емкость перехода (Cj). Паразитная индуктивность выводов (особенно важно для SMD-корпусов в высокочастотных схемах). Характеристики Vf в зависимости от температуры.

У нас на производстве в Жугао, этом ?краю долголетия?, мы уделяем огромное внимание именно стабильности и повторяемости параметров от партии к партии. Это и есть результат углубления в технологические процессы. Можно сделать диод, который на стенде покажет прекрасные цифры, но в массовом производстве разброс параметров будет таким, что часть компонентов будет работать на грани. И в поле они сгорят первыми. Поэтому при выборе, особенно для ответственных применений, важно смотреть не только на даташит, но и на репутацию производителя, на его экспертизу. Наша компания OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий как раз строит свою стратегию на этом — не на гонке за самой низкой ценой, а на обеспечении надежности через контроль технологии.

Конкретный пример: для высокочастотных выпрямителей в SMPS мы всегда рекомендуем линейки с оптимизированным балансом Vf и Qrr. Слишком низкое Vf — хорошо для КПД, но может быть достигнуто за счет ухудшения других параметров, что делает диод более уязвимым к броскам. Нужно искать золотую середину, и она у каждого производителя своя.

Сценарии отказов, которые не сразу приходят в голову

Помимо очевидных вещей, есть несколько коварных сценариев, из-за которых сгорает диод Шоттки.

Первый — ESD (электростатический разряд). Казалось бы, диод — устройство мощное. Но металл-полупроводниковый переход барьера Шоттки чувствителен к статике. Неправильное обращение при монтаже, отсутствие заземления — и компонент получает скрытое повреждение. Он может даже какое-то время работать, но его порог пробоя будет снижен, и первый же небольшой выброс в схеме его добьет. Мы всегда упаковываем чувствительные компоненты в антистатическую упаковку, но ответственность за соблюдение мер ESD-безопасности на линии монтажа лежит на сборщике.

Второй — циклическая нагрузка. Температурные циклы. Нагрев-остывание. Из-за разницы коэффициентов теплового расширения материалов внутри корпуса возникают механические напряжения. Со временем это может привести к отслоению кристалла, деградации контактов, микротрещинам. Итог — рост теплового сопротивления или прямое разрушение. Для применений с частыми циклами включения/выключения (например, в автомобильной электронике) это критично. При выборе компонента нужно смотреть не только на электрические, но и на механические и климатические испытания, которые прошел продукт.

Третий — влияние соседних компонентов. Очень специфичный случай, с которым столкнулся лично. В схеме корректора коэффициента мощности (PFC) диод Шоттки стоял рядом с дросселем. Из-за электромагнитного поля дросселя в выводах диода наводились паразитные токи высокой частоты, которые добавлялись к основному току. Перегрев был локальным, в точке пайки вывода. Со стороны казалось, что диод сгорает беспричинно. Помогло изменение разводки платы и экранирование.

Что можно сделать на этапе проектирования и отладки

Исходя из всего вышесказанного, сформировался некий чек-лист, который помогает избежать проблем. Он не гарантирует 100% успеха, но сильно повышает шансы.

1. Моделирование, моделирование и еще раз моделирование. Используйте адекватные модели, учитывайте паразитные элементы платы.2. Тщательный тепловой расчет с большим запасом. Рассматривайте наихудший сценарий. Используйте тепловизор на макете для проверки.3. Защита от выбросов. Демпфирующие снабберные цепи (RC или RCD) — не пережиток прошлого, а часто необходимость. Особенно в цепях с паразитной индуктивностью.4. Внимание к монтажу. Качество пайки, толщина дорожек, расстояние до других компонентов. Плохой монтаж убивает даже самый лучший компонент.5. Выбор поставщика. Работайте с производителями, которые вкладываются в R&D и контроль процесса, как наша компания. Изучайте не только даташиты, но и application notes, технические отчеты. На wfdz.ru мы стараемся выкладывать полезные материалы по применению, а не просто каталог.6. Тестирование в реальных условиях. Не ограничивайтесь стендовыми тестами при комнатной температуре. Заглуйте прототип в термокамеру, подавайте броски питания, имитируйте реальные нагрузки.

В конечном счете, проблема, когда сгорает диод Шоттки, решается не поиском ?волшебной? марки диода, а системным подходом к проектированию. Это понимание физики процесса, внимательность к деталям и уважение к особенностям компонента. Полупроводниковая техника — это всегда компромисс между параметрами, и диод Шоттки с его низким прямым падением и высокой скоростью — не исключение. Его сильные стороны могут стать ахиллесовой пятой, если не создать для него правильные условия работы. А создание этих условий — это и есть работа инженера.