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基于间接加热相变开关的功率处理能力增强型非对称与对称单刀双掷开关
Asymmetric and Symmetric Single-Pole Double-Throw With Improved Power Handling Using Indirectly Heated Phase-Change Switches
| 作者 | Nicolás Wainstein · Ami Orren · Rivka-Galya Nir-Harwood · Eilam Yalon · Shahar Kvatinsky |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能变流器PCS |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 四端间接加热相变开关 功率处理能力 四重配置 单刀双掷开关 插入损耗 |
语言:
中文摘要
四端间接加热相变开关（IPCS）凭借其先进的截止频率、非易失性、与互补金属氧化物半导体（CMOS）的兼容性以及出色的线性度，已成为射频集成电路（RFIC）应用的理想选择。然而，IPCS的性能受到关态下相对较低的功率处理能力的限制，这一限制源于奥弗辛斯基阈值开关（OTS）现象。在本文中，我们提出采用一种四开关组合结构，即两组串联的IPCS相互并联。这种串联连接提高了有效阈值电压，从而与单个器件相比增强了功率处理能力。我们通过实验展示了这种四开关组合结构在非对称和对称单刀双掷（SPDT）开关中的应用。这些开关采用自主工艺制造，在直流至15 GHz的频率范围内，插入损耗（IL）低于0.8 dB，隔离度高于17 dB。此外，我们还探索了诸如减小探测焊盘和采用串并联结构等技术，以将隔离度提高到30 dB以上。得益于四开关组合结构，阈值电压从5 V提高到13.5 V，预计可实现高于35 dBm的功率处理能力。
English Abstract
Four-terminal indirectly heated phase-change switches (IPCSs) have emerged as excellent candidates for radio-frequency integrated circuit (RFIC) applications due to their state-of-the-art cutoff frequency, nonvolatility, CMOS compatibility, and exceptional linearity. However, IPCS performance is limited by relatively low-power handling capabilities in the off-state, limited by the Ovonic threshold switching (OTS) phenomenon. In this article, we propose the use of a quad configuration consisting of two series-connected IPCS in parallel with another two series-connected IPCS. This series connection increases the effective threshold voltage, thereby enhancing power handling compared to a single device. We experimentally demonstrate the implementation of this quad configuration in asymmetric and symmetric single-pole double-throw (SPDT) switches. Fabricated using an in-house process, these designs achieve an insertion loss (IL) below 0.8 dB and isolation higher than 17 dB within the dc-15 GHz frequency band. Furthermore, we explore techniques, such as reducing the probing pads and series-shunt configuration, to boost isolation beyond 30 dB. Thanks to the quad configuration, the threshold voltage increases from 5 to 13.5 V, predicatively enabling power handling above 35 dBm.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项间接加热相变开关技术在射频集成电路领域的突破具有重要的战略参考价值。该技术通过四端口相变开关的串并联组合配置，将阈值电压从5V提升至13.5V，功率处理能力预期可超过35dBm，这为我们在高功率电力电子应用中提供了新的思路。
在光伏逆变器和储能系统领域，射频开关技术的核心价值在于其非易失性、CMOS兼容性和卓越的线性度特性。尽管该研究聚焦于射频应用（DC-15GHz频段），但其解决功率处理瓶颈的设计理念——通过串联结构提升有效阈值电压——与我们在大功率逆变器开关器件优化中面临的挑战存在技术共性。特别是在储能系统的双向变流器设计中，如何在保持低导通损耗（插入损耗<0.8dB）的同时提升隔离度（>30dB）和功率承载能力，是提升系统效率和可靠性的关键。
然而，该技术目前仍处于实验室阶段，与阳光电源产品所需的千伏级电压、千安级电流工作环境存在显著差距。相变材料的循环寿命、温度稳定性以及从射频向电力电子频段（数十kHz）的适配性都需要深入验证。此外，35dBm功率水平（约3W）远低于我们兆瓦级系统的需求。
尽管如此，这项技术展示的模块化设计思想和非易失性特性值得关注。未来若能突破材料和工艺瓶颈，在辅助电源管理、通信模块射频前端、智能组件的无线控制等子系统中可能找到应用场景，为产品智能化和集成化提供新的技术路径。建议持续跟踪该技术在功率等级扩展方面的进展。