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基于I-V测量的GaN功率HEMTs高阶热阻提取
Higher Order Thermal Impedance Extraction of GaN Power HEMTs by I–V Measurements
| 作者 | Richard Reiner · Akshay G. Nambiar · Stefan Mönch · Michael Basler · Daniel Grieshaber · Philipp Döring |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN功率晶体管 高阶热模型 热参数提取 Foster模型 Cauer模型 |
语言:
中文摘要
本研究提出了一种利用典型商用功率分析仪,通过电流 - 电压(I - V)测量来提取氮化镓(GaN)功率高电子迁移率晶体管(HEMT)高阶热模型的方法。该方法包括使用非线性最小二乘法求解器推导电热模型函数并将其拟合到测量数据中,从而得出高阶热模型的热参数。测量使用参数分析仪和可控热卡盘进行,并采集瞬态漏极电流响应信号。该方法用于推导 GaN 功率晶体管的五阶热福斯特(Foster)模型的热阻抗参数。福斯特模型参数在时域和频域中均有呈现,并随后转换为考尔(Cauer)模型参数。结果表明,该模型与片上温度传感器获取的数据高度吻合,证实了该方法的有效性。这种新的提取方法可使用实验室中常用于 GaN 功率晶体管电学特性表征的标准设备来实施。
English Abstract
This work presents a method for extracting higher order thermal models of GaN power high-electron mobility transistors (HEMTs) from I–V measurements using a typical commercial power analyzer. The approach involves deriving and fitting an electrothermal model function to measure data using a nonlinear least squares solver, yielding the thermal parameters for a higher order thermal model. Measurements are conducted using a parameter analyzer and a controlled thermal chuck, with a transient drain current response signal. The method is employed to derive the thermal impedance parameters of a 5th-order thermal Foster model for a GaN power transistor. The Foster model parameters are presented in both time and frequency domains and are subsequently transformed into Cauer model parameters. The results demonstrate strong agreement with data obtained from an on-chip temperature sensor, confirming the method’s validity. This new extraction method can be executed using standard laboratory equipment typically available for the electrical characterization of GaN power transistors.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对GaN功率HEMT器件高阶热阻抗提取的技术具有重要的工程应用价值。GaN功率器件凭借其高开关频率、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等核心产品的关键功率半导体选择。
该论文提出的热模型提取方法对我司产品开发具有三方面直接价值:首先,通过标准I-V测试设备即可建立五阶Foster热模型,无需昂贵的专用热测试系统,这与我司现有电气表征实验室设备高度兼容,可显著降低热设计验证成本。其次,精确的热阻抗模型对于逆变器和储能PCS的热管理设计至关重要——在高功率密度设计中,GaN器件的瞬态热响应直接影响系统可靠性和效率,该方法提供的时域和频域热参数可优化散热系统设计,提升产品在极端工况下的稳定性。第三,Foster模型向Cauer模型的转换能力使其可直接集成到我司的电路仿真流程中,加速新一代高频化、小型化产品的迭代开发。
技术成熟度方面,该方法已通过片上温度传感器验证,具备较好的工程实用性。主要挑战在于不同封装形式GaN器件的模型适配性,以及在实际多芯片并联应用中的热耦合效应建模。对于阳光电源而言,建议将此技术纳入GaN器件选型和应用开发流程,特别是在1500V高压光伏系统和大功率储能系统中,建立自主的器件热特性数据库,这将成为我司在新能源功率变换领域保持技术领先的重要支撑。