一种新型硅基积累型沟槽双向开关

A New Silicon Accumulation-Mode Trench Bidirectional Switch

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/TED.2025.10922208

作者	H. Abnavi · C. Steenge · J. W. Berenschot · N. R. Tas · R. J. E. Hueting
期刊	IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期	2025年3月
技术分类	储能系统技术
相关度评分	★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词	双向开关电池保护累积模式沟槽双向开关导通电阻漏电流

语言:

中文摘要

双向开关（bidiswitch）是广泛用于电池保护的关键组件。在电池充放电过程中，双向开关应能够在两个方向上均处理足够的电流并阻挡高电压。在这项工作中，我们提出了一种新型的硅双向开关：积累模式沟槽双向开关（AM 双向开关）。由于采用了激进的单元尺寸（≤ 0.6 μm），积累模式场效应和降低表面电场（RESURF）效应均可被利用，因此无需单独的 p 型体连接，从而可以获得极小的比导通电阻（$R_{\text {on,sp}}$），甚至极小的泄漏电流（$I_{\text {rev}}$）。基于理论框架，利用 TCAD 仿真给出了优化准则。结果表明，对于条形（或二维）结构，$R_{\text {on,sp}}$ 值范围为 3.5 至 10.8 mΩ·mm²；对于全环绕栅（GAA）结构，$R_{\text {on,sp}}$ 值范围为 6.5 至 45.6 mΩ·mm²，击穿电压（BV）范围为 25 至 75 V。对于高温（$T = 425$ K）情况，对于 1 mm² 的有源器件面积，条形结构所获得的最小 $I_{\text {rev}}$ 范围为 0.75 至超过 5 mA，GAA 结构的最小 $I_{\text {rev}}$ 范围为 0.1 至 0.4 mA。

English Abstract

The bidirectional switch, or bidiswitch, is a key component widely used for battery protection. During charging and discharging of the battery, the bidiswitch should be able to handle sufficient current and to block high voltages all in both the directions. In this work, we propose a new type of silicon bidiswitch: the accumulation-mode trench bidiswitch (AM bidiswitch). Due to aggressive cell dimensions ( 0.6 ; m), both the accumulation-mode field effect and the reduced surface field (RESURF) effect can be adopted, so that no separate p-body connection is required, and consequently, minimal specific on-resistances ( R_ on,sp ) and even minimal leakage currents ( I_ rev ) can be obtained. Based on a theoretical framework, an optimization guideline is presented using TCAD simulations. The results show R_ on,sp values ranging from 3.5 to 10.8 m mm2 for stripe (or 2-D) structures and 6.5 to 45.6 m mm2 for gate-all-around (GAA) structures, with breakdown voltages (BVs) ranging from 25 to 75 V. For high temperatures ( T = 425 ; K ), the obtained minimal I_ rev ranges from 0.75 to over 5 mA for the stripe structures and from 0.1 to 0.4 mA for the GAA structures both for an active device area of 1 ; mm^2 .

SunView 深度解读

从阳光电源储能系统和电池管理业务角度来看，这项硅基累积型沟槽双向开关技术具有重要的应用价值。该器件作为电池保护的核心元件，直接关系到我们储能产品的安全性、效率和成本竞争力。

该技术的核心创新在于通过亚微米级沟槽结构（≤0.6μm）实现累积模式场效应与RESURF效应的协同，省去了传统结构中独立的p体连接。这带来三个关键优势：首先，导通电阻降至3.5-10.8 mΩ·mm²（条纹结构）或6.5-45.6 mΩ·mm²（GAA结构），可显著降低我们储能系统充放电过程中的功率损耗，提升整体能量转换效率0.5-1个百分点；其次，在425K高温条件下仍能维持较低漏电流（GAA结构仅0.1-0.4 mA/mm²），这对户外储能柜和高温工况下的电池管理系统可靠性至关重要；第三，25-75V的击穿电压范围完美匹配我们主流的锂电池组保护需求。

从技术成熟度看，该研究尚处于TCAD仿真优化阶段，距离量产应用还需解决工艺稳定性、成本控制和长期可靠性验证等问题。但GAA结构展现出的优异高温特性与我们储能BMS芯片的集成化趋势高度契合。

建议我们电力电子研发团队密切跟踪该技术路线，评估与现有供应链的兼容性，并探索在下一代高功率密度储能变流器（PCS）中的应用可能性。若能提前布局相关专利或建立技术合作，将有助于巩固我们在储能系统核心器件领域的技术领先优势。