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基于多波长激光的瞬态热反射技术用于GaN HEMT沟道温度监测
Multiwavelength Laser-Based Transient Thermoreflectance for Channel-Temperature Monitoring of GaN HEMTs
| 作者 | Yali Mao · Haochen Zhang · Yunliang Ma · Hongyue Wang · Haiding Sun · Chao Yuan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN器件 多波长激光瞬态热反射技术 沟道温度监测 光电流效应 热反射系数校准 |
语言:
中文摘要
对于氮化镓（GaN）器件而言，同时具备高空间分辨率和高时间分辨率的沟道温度表征方法需求迫切，但目前仍较为缺乏。在这项工作中，我们开发了一种基于多波长激光的瞬态热反射技术（MWL - TTR），利用320纳米连续波（CW）激光监测沟道温度，532纳米连续波激光监测金属触点，实现了亚微米级空间分辨率和纳秒级时间分辨率。我们对以往常被忽略的320纳米带隙以上激光在温度监测中引起的光电流效应进行了定量研究并予以消除。通过MWL - TTR实现了热反射系数（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex - math notation="LaTeX">${C}_\text{th}$</tex - math></inline - formula>）的可靠校准，为精确的沟道温度监测奠定了基础。基于该技术，我们对多个氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）进行了测量，以评估该技术的有效性。
English Abstract
Simultaneous high-spatial and high-temporal resolution channel-temperature characterization methods are in great demand but still lacking for GaN devices. In this work, we developed a multiwavelength laser-based transient thermoreflectance technique (MWL-TTR) by using a 320-nm continuous wave (CW) laser to monitor the channel temperature and a 532-nm CW laser to monitor the metal contacts, achieving submicron spatial and nanosecond temporal resolution. The photocurrents effects induced by the above-bandgap 320 nm laser on temperature monitoring, which are used to be ignored, are quantitatively investigated and eliminated. A reliable calibration of the thermoreflectance coefficient ( C_th ) is realized by MWL-TTR, laying the foundation of accurate channel-temperature monitoring. Based on this technique, several GaN HEMTs are measured to assess the validity of this technique.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务角度来看，这项多波长激光瞬态热反射技术对我们的核心产品具有重要的战略价值。GaN HEMT（氮化镓高电子迁移率晶体管）是光伏逆变器和储能变流器中功率转换模块的关键器件，其热管理性能直接影响系统效率、可靠性和使用寿命。
该技术的核心价值在于实现了亚微米空间分辨率和纳秒级时间分辨率的沟道温度监测，这对我们的产品研发具有三方面意义：首先，在大功率逆变器设计阶段，该技术能够精确捕捉GaN器件在高频开关过程中的瞬态热行为，帮助优化散热设计和降低热应力，这对提升我们1500V高压逆变器和储能PCS的功率密度至关重要。其次，通过消除光电流效应的干扰并实现可靠的热反射系数标定，该技术为建立更精确的器件热模型提供了实验基础，可加速我们自主功率模块的迭代开发。第三，在可靠性验证环节，该技术能够识别热点和热循环应力，为预测性维护和延长产品生命周期提供数据支持。
从技术成熟度评估，该方法仍处于实验室阶段，距离产线应用存在设备成本高、操作复杂等挑战。但考虑到GaN器件在新能源领域的快速渗透，建议我们与研究机构建立合作，将此技术应用于关键器件的失效分析和先进封装技术验证。长远来看，这类精密热管理表征能力将成为我们在高功率密度产品竞争中的差异化优势，特别是在800V储能系统和大功率组串式逆变器等前沿应用中。