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控制与算法
★ 4.0
基于可迁移代理模型与多目标优化的高效LDMOS设计
Efficient LDMOS Design via Transferable Surrogate Models and Multi-Objective Optimization
| 作者 | Hongyu Tang · Chenggang Xu · Xiaoyun Huang · Yuxuan Zhu · Yunlong Li · Dawei Gao |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | LDMOS性能优化 机器学习 深度神经网络 多目标粒子群优化 帕累托最优前沿 |
语言:
中文摘要
优化横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)性能需要在硅极限约束下平衡击穿电压(BV)和比导通电阻(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\text {R}_{\text {on},\text {sp}}$ </tex-math></inline-formula>)。传统的基于技术计算机辅助设计(TCAD)的器件设计在处理大参数空间时耗时且效率低下。本文提出了一种机器学习(ML)辅助框架,该框架将初始和微调后的深度神经网络(DNN)替代模型与多目标粒子群优化(MOPSO)相结合。微调后的DNN仅使用小数据集就能适应非重叠的扩展设计空间,同时在MOPSO过程中选择性地应用这两个替代模型来评估候选设计,与TCAD相比,显著加快了设计评估速度。SHAP分析揭示了与底层器件物理原理相符的一致特征重要性。该框架构建了多样化的帕累托最优前沿,为复杂性能权衡下的LDMOS自动化优化提供了可扩展的解决方案。
English Abstract
Optimizing LDMOS performance requires balancing breakdown voltage (BV) and specific on-resistance ( R_ on, {sp} ) under silicon-limit constraints. Conventional technology computer-aided design (TCAD)-based device design is time-consuming and inefficient for large parameter spaces. This work presents a machine learning (ML)-assisted framework that combines initial and fine-tuned deep neural network (DNN) surrogate models with multi-objective particle swarm optimization (MOPSO). The fine-tuned DNN adapts to a non-overlapping extended design space using only a small dataset, while the two surrogates are selectively applied during MOPSO to evaluate candidate designs, enabling significantly faster design evaluation compared to TCAD. SHAP analysis reveals consistent feature importance that aligns with the underlying device physics. The framework constructs diverse Pareto-optimal fronts, offering a scalable solution for automated LDMOS optimization under complex performance trade-offs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于机器学习的LDMOS优化技术具有重要的战略价值。LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体)器件是光伏逆变器和储能变流器中功率转换电路的核心元件,其击穿电压与导通电阻的平衡直接影响系统的效率、可靠性和成本。
该技术的核心创新在于利用深度神经网络替代传统TCAD仿真,将器件设计优化的时间成本大幅降低。对于阳光电源而言,这意味着可以更快速地开发适配不同电压等级(如1500V光伏系统、储能系统的高压直流侧)的定制化功率器件。通过多目标粒子群优化算法构建帕累托最优前沿,工程师能够在击穿电压和导通电阻之间找到最佳平衡点,这对于提升逆变器转换效率(当前行业领先水平已达99%以上)的每0.1%都至关重要。
技术成熟度方面,该框架已实现可迁移的代理模型和物理一致性验证(通过SHAP分析),表明其已具备工程应用基础。但从实验室到量产仍存在挑战:需要积累大量工艺数据以训练模型,且模型的泛化能力需在阳光电源的实际工艺平台上验证。
潜在应用机遇包括:一是加速SiC/GaN等新一代宽禁带半导体器件的开发,支撑更高功率密度的产品迭代;二是建立器件-系统协同优化能力,将器件级优化与逆变器拓扑设计打通;三是形成自主可控的功率器件设计能力,降低对外部供应链的依赖。建议阳光电源关注该技术方向,探索与半导体设计团队的合作可能性,将其纳入长期技术储备规划。