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基于双光束同步激发的钒掺杂4H-SiC光电导开关中的均匀电流密度与热分布
Uniform Current Density and Thermal Distribution in Vanadium-Doped 4H-SiC PCSS Based on Dual-Beam Synchronous Excitation
| 作者 | Shengtao Chen · Ming Xu · Ruidong Lv · Li Sun · Rujun Liu · Mi Pang |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能变流器PCS SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅光导开关 电流拥挤 热分布均匀性 双脉冲激光束 瞬态输出特性 |
语言:
中文摘要
缓解电流拥挤现象和提高热分布均匀性对于碳化硅光电导开关（SiC PCSS）的高功率应用具有重要意义。通过改变532 nm脉冲激光束的光路，研究了垂直电极结构的掺钒4H - SiC PCSS的瞬态输出特性。此外，建立了多物理场耦合模型，以模拟PCSS导通期间内部的电流密度和发热分布。结果表明，双脉冲激光束（双光束）同步激发显著降低了电极 - 半导体 - 绝缘体三相点处的峰值电流密度和温度，促进了这些参数在衬底内更均匀的分布，且不会影响PCSS的瞬态输出特性。
English Abstract
The mitigation of current crowding and the improvement of thermal distribution uniformity are of great significance for the high-power applications of silicon carbide photoconductive semiconductor switches (SiC PCSSs). The transient output characteristics of a vanadium-doped 4H-SiC PCSS with a vertical electrode structure were investigated by changing the optical path of the 532 nm pulse laser beam. Furthermore, a multiphysics-coupled model was established to simulate the distribution of current density and heat generation within the PCSS during conduction. The results indicate that dual-pulse laser beam (dual-beam) synchronous excitation significantly reduces the peak current density and temperature at the electrode-semiconductor-insulator triple point, promotes a more uniform distribution of these parameters within the substrate, and does so without compromising the transient output characteristics of the PCSS.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于碳化硅光导开关（SiC PCSS）的研究具有重要的技术参考价值。碳化硅作为第三代半导体材料，已在我们的光伏逆变器和储能变流器中得到广泛应用，而该研究探索的光导开关技术代表了功率器件的另一发展方向。
该论文提出的双光束同步激发技术，通过优化电流密度和热分布均匀性，有效解决了高功率应用中的电流拥挤问题。这一技术思路对我们现有产品的热管理设计具有启发意义。在大功率光伏逆变器和储能系统中，功率器件的热分布不均匀一直是影响系统可靠性和寿命的关键因素。研究中采用的多物理场耦合仿真方法，可为我们优化IGBT/SiC MOSFET模块的散热设计提供新的分析工具。
从应用前景看，光导开关技术目前主要应用于脉冲功率、高压开断等特殊领域，距离在光伏逆变器等高频开关应用中的商业化尚有距离。主要挑战包括：光学触发系统的复杂性和成本、激光器的可靠性要求、以及与现有电控技术的兼容性。相比之下，我们当前采用的SiC MOSFET技术路线更为成熟且具有成本优势。
然而，该技术在特定场景下仍具潜在价值，如超高压直流断路器、故障限流器等新兴电力电子装备。随着新能源系统电压等级不断提升，这类快速、高耐压的开关技术可能在未来的高压直流输电和柔性配电网中找到应用空间，值得我们持续跟踪其技术演进。