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基于热电冷却器的β-Ga2O3肖特基势垒二极管主动热管理
Active Thermal Management for β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Based on Thermoelectric Coolers
| 作者 | Longbing Yi · Xuefeng Zheng · Fang Zhang · Shaozhong Yue · Shunyu Wang · Wen Hong |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 技术标签 | 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | β-Ga2O3肖特基势垒二极管 热电冷却器 热管理 结温 输出功率 |
语言:
中文摘要
鉴于β - Ga₂O₃的热导率较低,有效散热对于维持其高输出功率和可靠性至关重要。本研究采用实验和数值方法,提出了一种使用热电冷却器(TEC)的β - Ga₂O₃肖特基势垒二极管(SBD)有源热管理模型。SBD产生的热量可通过热电(TE)材料的珀尔帖效应有效散发到周围环境中。实验结果表明,当TEC输入电流为6 A时,即使SBD输出功率达到25 W,管壳温度仍保持在25℃以下,与TEC关闭时相比,结温最大降低了74.5℃。当TEC输入电流为3 A时,SBD的净输出功率达到11.8 W,提升比例为36.9%。在模拟中,对TEC参数进行了分析以优化结温。TE腿高度每降低0.1 mm,结温降低5.3℃。通过对材料参数的协同优化,塞贝克系数对结温有显著影响。这项工作为设计和优化使用TEC的β - Ga₂O₃ SBD热管理提供了指导。
English Abstract
In view of the lower thermal conductivity of -Ga2O3, effective heat dissipation is crucial for maintaining its high output power and reliability. This study presents an active thermal management model for -Ga2O3 Schottky barrier diodes (SBDs) using thermoelectric coolers (TECs), employing both experimental and numerical methods. The heat generated by the SBD can be effectively dissipated to the surroundings through the Peltier effect in thermoelectric (TE) materials. Experimental results show that, with a TEC input current of 6 A, the case temperature remains below 25~^ C even at an SBD output power of 25 W, achieving a maximum junction temperature reduction of 74.5~^ C compared to when the TEC is off. At a TEC input current of 3 A, the net output power of the SBD reaches 11.8 W, corresponding to an improvement ratio of 36.9%. In simulation, TEC parameters are analyzed to optimize the junction temperature. For every 0.1-mm reduction in the height of TE legs, the junction temperature decreases by 5.3~^ C. The Seebeck coefficient significantly impacts the junction temperature through co-optimization of material parameters. This work provides guidance for designing and optimizing the thermal management of -Ga2O3 SBDs with TECs.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于热电制冷器的β-Ga2O3肖特基二极管主动热管理技术具有重要的战略意义。β-Ga2O3作为超宽禁带半导体材料,其击穿电压可达Si器件的10倍以上,理论上能够显著提升光伏逆变器和储能变流器的功率密度与效率。然而,其固有的低热导率(约为SiC的1/10)一直是制约商业化应用的核心瓶颈。
该研究通过热电制冷器实现的主动热管理方案展现出突破性价值。实验数据显示,在6A制冷电流下,25W输出功率时结温可降低74.5°C,这对于阳光电源高功率密度逆变器的散热设计具有直接参考意义。更关键的是,在3A工况下净输出功率提升36.9%,意味着在相同散热条件下可实现更高的系统效率,这与我们追求的逆变器99%以上转换效率目标高度契合。
从技术成熟度评估,该方案仍处于实验室验证阶段,面临几个工程化挑战:一是热电制冷器本身的能耗需纳入系统效率计算,需在制冷效果与额外功耗间找到最优平衡点;二是热电材料的长期可靠性和成本控制需要验证;三是需要开发适配的智能温控算法以实现动态热管理。
但机遇同样显著。对于阳光电源布局的高压直挂储能系统和1500V光伏系统,β-Ga2O3器件配合优化热管理可大幅减少功率模块体积,降低系统BOS成本。建议跟踪该技术路线,适时启动预研项目,探索在下一代高频高压变流器中的应用可能性,同时关注热电材料国产化进程,为技术储备奠定基础。