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基于4H-SiC衬底的集成高功率光电导半导体开关超快特性
Ultrafast Characteristics of Integrated High-Power Photoconductive Semiconductor Switch Based on 4H-SiC Substrate
| 作者 | Yangfan Li · Longfei Xiao · Chongbiao Luan · Xun Sun · Huiru Sha · Jian Jiao |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅集成器件 光导开关 上升时间 半高宽 输出信号 |
语言:
中文摘要
为了最小化输出波形的上升时间和半高全宽(FWHM),我们基于半绝缘碳化硅(SiC)材料设计并制造了一种新型集成器件,我们称之为cPCSS器件,其结构包括一个光电导半导体开关(PCSS)和一个充电电容器。测试结果表明,由于cPCSS中优化了电路连接并简化了电气长度,测试电路中的寄生电容和电感得以降低。因此,cPCSS器件在基本保持相同电导率的同时,能输出更快的信号。在入射激光能量(<10 μJ)下,cPCSS获得的输出信号上升时间最快为122 ps(10% - 90%),半高全宽为375 ps。此外,cPCSS器件能够保持超过10 kV的峰值输出电压,并且可以连续输出信号超过180 000次而不出现任何故障。
English Abstract
To minimize the rise time and full-width at half-maximum (FWHM) of the output waveform, we have designed and fabricated a novel integrated device based on semi-insulated silicon carbide (SiC) material, which we call cPCSS device, whose structure includes a photoconductive semiconductor switch (PCSS) and a charging capacitor. Test results indicate that, owing to optimized circuit connections and a simplified electrical length in cPCSS, the parasitic capacitance and inductance in the test circuit are decreased. Consequently, the cPCSS device exhibits faster signal while maintaining basically equal conductivity. At the incident laser energy ( 10~ J), cPCSS obtains the output signal with the fastest rise time of 122 ps (10%–90%) and FWHM of 375 ps. In addition, the cPCSS device can maintain a peak output voltage exceeding 10 kV and continuously output signals for more than 180 000 times without any faults.
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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4H-SiC衬底的集成光导半导体开关技术具有重要的战略参考价值。该技术展现的超快响应特性(122ps上升时间)和高可靠性(18万次无故障运行)与我们在高功率电力电子领域的核心需求高度契合。
在光伏逆变器应用层面,SiC材料本身已是我们重点布局的方向。该论文提出的集成化设计理念——将光导开关与充电电容集成在单一器件中,有效降低了寄生参数,这为我们优化逆变器的开关损耗和提升功率密度提供了新思路。特别是在高频化、轻量化的组串式逆变器设计中,这种集成化方案可能带来系统级的性能突破。
对于储能系统而言,该技术展现的10kV峰值电压输出能力和纳秒级脉冲控制精度,在故障保护和功率调节方面具有潜在应用价值。快速响应特性可显著提升储能变流器在电网扰动时的动态响应能力,这对提高系统安全性和电能质量至关重要。
然而,需要客观评估的是,该技术目前仍处于实验室阶段,距离商业化应用存在明显差距。光触发机制在实际工业环境中的可靠性、成本可控性以及与现有电力电子架构的兼容性都需要深入验证。此外,10μJ的激光触发能量虽然较低,但在大规模应用中的系统复杂度和维护成本仍是挑战。
建议我们的研发团队持续跟踪SiC集成化技术发展,重点关注其在脉冲功率控制和快速保护电路中的应用可能性,为下一代高性能电力电子产品储备技术方案。