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通过瞬态热表征理解短路应力下GaN HEMT位错缺陷的作用
Understanding the Role of Dislocation Defects of GaN HEMT under Short-Circuit Stress Through Transient Thermal Characterization
| 作者 | Xi Jiang · Yue Wu · Song Yuan · Xiangdong Li · Zhaoheng Yan · Jing Chen |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓高电子迁移率晶体管 短路应力 位错缺陷 瞬态热阻表征 热特性退化 |
语言:
中文摘要
摘要:氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件在高母线电压条件下承受反复短路(SC)应力后容易迅速失效。衬底界面处的位错缺陷在引发器件退化和热击穿失效方面起着关键作用。然而,短路应力下位错缺陷的形成机制及其对氮化镓高电子迁移率晶体管短路能力的影响仍不明确。本文提出一种基于瞬态热阻表征的新方法,用于监测氮化镓高电子迁移率晶体管器件内部位错缺陷的演变。同时,建立了一个热模型来阐明位错缺陷对器件热特性的影响。通过分析短路应力前后氮化镓高电子迁移率晶体管的结构函数,将先前难以察觉的缺陷累积转化为热阻曲线的可观测变化。研究了氮化镓高电子迁移率晶体管器件在不同母线电压和短路脉冲持续时间下热特性的退化情况。实验结果表明,瞬态热表征方法能够有效识别位错缺陷累积区域,量化缺陷累积程度,并全面了解氮化镓高电子迁移率晶体管在反复短路应力下的损伤演变过程。
English Abstract
Gallium nitride (GaN) high electron mobility transistor (HEMT) devices are prone to rapid failure after repetitive short-circuit (SC) stress under high bus voltage conditions. The dislocation defects at the substrate interface play a critical role in inducing device degradation and thermal breakdown failure. However, the mechanisms of dislocation defect formation under SC stress and their influence on the SC capability of GaN HEMTs remain unclear. This article presents a novel method based on transient thermal resistance characterization to monitor the evolution of dislocation defects within GaN HEMT devices. Meanwhile, a thermal model is developed to illustrate the influence of dislocation defects on the thermal characteristics of the device. By analyzing the structure function of the GaN HEMT before and after SC stress, the accumulation of previously imperceptible defects is translated into observable changes in thermal resistance curves. The degradation of thermal characteristics of GaN HEMT devices under varying bus voltages and SC pulse durations are investigated. Experimental results demonstrate that the transient thermal characterization method effectively identifies regions of dislocation defect accumulation, quantifies the extent of defect accumulation, and provides a comprehensive understanding of damage evolution within GaN HEMTs under repetitive SC stress.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于GaN HEMT器件短路应力下位错缺陷演化的研究具有重要的战略价值。GaN功率器件因其高开关频率、低导通损耗和高功率密度特性,正逐步成为我司光伏逆变器和储能变流器的核心功率开关选择,特别是在高压大功率应用场景中。
该研究揭示的位错缺陷累积机制直接关系到产品可靠性这一核心竞争力。在光伏逆变器应对电网故障、储能系统处理突发负载冲击时,功率器件频繁承受短路应力。传统检测方法难以在早期识别这类缺陷,而论文提出的瞬态热阻表征方法能够将微观缺陷转化为可观测的热阻变化,为我们提供了一种预测性维护的技术手段。这对于提升产品在严苛工况下的短路耐受能力(SC capability)和延长器件寿命至关重要。
从应用价值看,该技术可直接应用于三个层面:一是在器件筛选阶段识别潜在缺陷器件,提升来料质量;二是在产品设计验证中量化不同工况对器件的累积损伤,优化保护策略;三是在现场运维中通过热特性监测实现故障预警。特别是对于我司1500V及以上高压系统,高母线电压下的短路应力管理是关键技术难点,该研究提供的缺陷演化规律可指导我们制定更精准的降额设计准则。
技术挑战在于将实验室表征方法转化为在线监测技术,需要解决成本、集成度和实时性问题。建议与GaN器件供应商开展联合研究,将该方法融入器件可靠性评估体系,同时探索基于热敏参数的健康管理算法,为阳光电源下一代高可靠性功率电子产品奠定技术基础。