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低温电力电子中单极功率半导体的热失控现象
The Thermal Runaway Phenomenon of Unipolar Power Semiconductors in Cryogenic Power Electronics
| 作者 | Julius Zettelmeier · Raffael Schwanninger · Martin März |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓高电子迁移率晶体管 低温冷却 热失控 电流密度 液氮温度 |
语言:
中文摘要
氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)和硅金属氧化物半导体场效应晶体管功率器件在低温环境下的传导损耗大幅降低。因此,目前航空研究领域对低温冷却技术展开了广泛研究。然而,这样的低温环境会引发一种此前基本未被关注但对安全至关重要的“热失控”现象,且随着冷却液温度的降低,该现象会愈发严重。这种效应的产生是因为芯片产生的损耗随温度升高而增加的速度,比芯片能够传导出去的热量增加的速度更快。与室温下的常见情况不同,随意增大温度波动幅度并不能实现更高的电流密度。相反,当达到某个临界点后,系统将进入热自毁状态。本文从理论上对这一效应进行了阐述,并使用氮化镓高电子迁移率晶体管在液氮温度下通过实验验证了该效应。
English Abstract
Galliumnitride (GaN) high electron mobility transistor (HEMT) and silicon metal-oxide semiconductor field effect transistor power devices exhibit greatly reduced conduction losses at cryogenic temperatures. Consequently, cryogenic cooling is currently largely investigated in aviation research. However these temperatures lead to a hitherto largely unnoticed, safety-critical phenomenon of “thermal runaway,” which becomes increasingly severe as the coolant temperature drops. This effect arises because the losses generated in the chip increase more rapidly with rising temperature than the heat that can be conducted away from the chip. Contrary to the well-known behavior at room temperature, a higher current density cannot be achieved by arbitrarily increasing the temperature swing. Instead, a tipping point is reached beyond which the system enters thermal self-destruction. Here, this effect is described theoretically and validated experimentally at liquid nitrogen temperatures using a GaN HEMT.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文揭示的低温功率半导体热失控现象具有重要的前瞻性意义,但也提示了潜在的技术风险。
GaN HEMT等功率器件在低温环境下导通损耗显著降低,这与我们在光伏逆变器和储能变流器中追求的高效率目标高度契合。特别是在大功率集中式逆变器和MW级储能系统中,若能通过低温冷却技术将系统效率提升1-2个百分点,将直接转化为显著的经济价值和市场竞争力。航空领域的研究趋势也预示着该技术在电动航空、高功率密度应用场景的潜力。
然而,论文指出的"热失控"现象必须引起高度重视。这种在低温下芯片发热速率超过散热能力的临界失效模式,与传统室温设计经验截然不同,可能导致系统突然进入热自毁状态。对于阳光电源强调的产品可靠性和25年以上生命周期要求,这是不可接受的风险。这要求我们在探索低温冷却技术时,必须重新建立热设计准则,精确建模温度-损耗耦合关系,并开发相应的预警和保护机制。
从技术成熟度评估,低温功率电子目前仍处于实验室验证阶段,距离商业化应用尚有距离。液氮冷却系统的复杂性、成本和维护需求,在当前光伏和储能应用中难以证明经济合理性。但该研究为我们指明了一个清晰的技术方向:在特定高附加值场景(如海上风电、极端环境储能),低温冷却可能成为突破性能瓶颈的关键技术。建议将此纳入中长期技术路线图,持续跟踪航空和军工领域的技术成熟进展,适时开展预研储备。