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储能系统技术 储能系统 GaN器件 ★ 5.0

AlGaN/GaN HEMT器件中电学与光学测温技术的对比分析

A Comparative Analysis of Electrical and Optical Thermometry Techniques for AlGaN/GaN HEMTs

作者 Seokjun Kim · Daniel C. Shoemaker · Anwarul Karim · Husam Walwil · Matthew T. DeJarld · Maher B. Tahhan
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2024年12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 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 氮化镓功率放大器 温度测量 拉曼测温法 栅极电阻测温法 高电子迁移率晶体管
语言:

中文摘要

基于氮化镓(GaN)的射频(RF)功率放大器凭借其在高频下的大功率处理能力和高功率附加效率,正引领着下一代无线系统的部署。遗憾的是,这种高功率密度运行会导致严重过热,从而缩短其使用寿命并降低效率。因此,准确表征温度上升对于合理设计氮化镓器件和冷却解决方案至关重要。基于光学的测温技术,如拉曼测温法和红外(IR)热成像法,通常用于估算峰值温度上升,但它们受到光学通路、顶部金属化以及深度平均效应的限制。栅极电阻测温法(GRT)提供了一种无需对沟道进行光学访问即可测量温度的替代方法。因此,在这项工作中,将拉曼测温法与栅极电阻测温法和电热建模相结合,以确定在各种偏置条件下,每种方法对场板氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)的测量准确性。虽然拉曼测温法和栅极电阻测温法在全开启(FO)沟道条件下测得的温度上升情况相似,但研究发现,在部分夹断(PPO)偏置条件下,由于源极连接场板(SCFP)限制了对栅极边缘漏极侧的光学访问,栅极电阻测温法在估算峰值温度方面表现更优。

English Abstract

Gallium nitride (GaN)-based radio frequency (RF) power amplifiers are spearheading the deployment of next-generation wireless systems owing to the large power handling capability at high frequencies and high-power-added efficiency. Unfortunately, this high power density operation leads to severe overheating, which reduces its lifetime and efficiency. Thus, correctly characterizing the temperature rise is of crucial importance to properly design GaN devices and cooling solutions. Optical-based thermometry techniques such as Raman thermometry and infrared (IR) thermography are commonly used to estimate the peak temperature rise, but they are limited by optical access, topside metallization, and depth averaging. Gate resistance thermometry (GRT) offers an alternative method to measure the temperature without needing optical access to the channel. Therefore, in this work, Raman thermometry is used in conjunction with GRT and electrothermal modeling to determine the accuracy of each method for a field-plated GaN high electron mobility transistor (HEMT) under various bias conditions. While both Raman thermometry and GRT measured a similar temperature rise under fully open (FO) channel conditions, it was found that GRT was better at estimating the peak temperature under a partially pinched-off (PPO) bias condition due to the source-connected field plate (SCFP) restricting optical access to the drain side of the gate edge.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于GaN HEMT器件热管理测温技术的研究具有重要的战略价值。氮化镓功率器件凭借其高频、高功率密度和高效率特性,正成为我们新一代光伏逆变器和储能变流器的核心功率开关器件。然而,高功率密度运行带来的散热挑战直接影响系统可靠性和使用寿命,这正是制约GaN器件在大功率应用中推广的关键瓶颈。

该论文对比分析的三种测温技术各有特点。拉曼测温和红外热成像等光学方法虽然应用广泛,但在实际产品中受限于封装结构和金属化层的遮挡,难以准确测量芯片热点温度。栅极电阻测温法(GRT)作为电学测温手段,无需光学接入即可直接反映沟道温度,在场板结构等复杂器件中表现出更高的准确性。这一发现对我们的功率模块设计具有实际指导意义。

对于阳光电源而言,这项技术的应用价值体现在多个层面:首先,准确的温度表征能够优化GaN器件的热设计,提升逆变器功率密度和效率;其次,GRT技术可集成到产品的在线监测系统中,实现实时热管理和预测性维护;再者,精确的热模型有助于加速新产品开发周期,降低研发成本。

技术挑战主要在于GRT方法需要额外的测试电路和校准流程,以及如何将实验室技术转化为批量生产中的质量控制手段。建议我们的研发团队与器件供应商合作,将先进测温技术融入功率模块设计规范,同时建立自主的电热联合仿真能力,为下一代高功率密度产品奠定技术基础。