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储能系统技术 储能系统 SiC器件 深度学习 ★ 4.0

基于4H-SiC MOSFET的ANN建模用于极端温度应用的SiC放大器设计与验证

Design and Verification of SiC Amplifiers for Extreme Temperature Applications Based on ANN Modeling of 4H-SiC MOSFETs

作者 Wenhao Yang · Yuyin Sun · Mengnan Qi · Shikai Sun · Shasha Mao · Lei Yuan
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年8月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件 深度学习
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 人工神经网络模型 高温模拟电路 SPICE仿真 电路设计验证
语言:

中文摘要

本研究提出了一种基于高精度人工神经网络(ANN)的碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)建模框架,该框架在较宽的温度范围(27 °C - 500 °C)内实现了误差小于1.2%的高精度建模。所开发的模型可对碳化硅集成电路进行可靠的SPICE仿真,有助于高温模拟电路的设计和实验验证。采用pMOS电流源负载的单级共源(CS)放大器在500 °C时的最大低频增益达到25.5 dB,而两级放大器在500 °C时可实现52.5 dB的增益,单位增益带宽(UGBW)为220 kHz。实验结果证实了仿真与测量结果相符,在室温及500 °C工作条件下,关键性能指标在1 MHz频域内的偏差均小于6.9%。本研究为宽温度范围内碳化硅基电路的设计和验证建立了一种稳健且可扩展的方法,该方法有望应用于其他在极端环境下工作的新兴半导体技术。

English Abstract

This study presents a high-precision artificial neural network (ANN)-based modeling framework for SiC MOSFETs, achieving high accuracy with less than 1.2% error over a wide temperature range (27 °C–500 °C). The developed model enables reliable SPICE simulations of SiC integrated circuits, facilitating the design and experimental verification of high-temperature analog circuits. A single-stage common-source (CS) amplifier with a pMOS current source load demonstrates a maximum low-frequency gain of 25.5 dB, while a two-stage amplifier achieves 52.5-dB gain with a 220-kHz unity-gain bandwidth (UGBW) at 500 °C. Experimental results confirm the agreement between simulation and measurement, with deviations of less than 6.9% in the 1-MHz frequency domain for key performance indicators at both room temperature and 500 °C operating conditions. This study establishes a robust and scalable methodology for the design and verification of SiC-based circuits over a wide temperature range, with potential applications to other emerging semiconductor technologies operating in extreme environments.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于人工神经网络的SiC MOSFET建模技术具有重要的战略价值。该研究实现了27°C至500°C宽温度范围内误差小于1.2%的高精度器件模型,为极端环境下的功率电子应用提供了可靠的设计工具。

对于光伏逆变器和储能系统而言,该技术的核心价值体现在三个层面:首先,高温工作能力可显著提升系统在沙漠、热带等高温地区的可靠性和效率,这对拓展中东、非洲等新兴光伏市场至关重要。其次,精确的SPICE仿真模型能够加速SiC功率器件的电路设计周期,降低研发成本,特别是在多电平逆变器拓扑和高频开关电路设计中。第三,两级放大器在500°C下实现52.5dB增益和220kHz带宽,证明了SiC模拟集成电路在极端环境下的信号处理能力,这为开发耐高温的驱动电路和保护电路提供了技术基础。

从技术成熟度评估,该研究仍处于实验室验证阶段,实测与仿真偏差在6.9%以内表明模型具有工程应用潜力,但距离产品化尚需解决成本、工艺一致性和长期可靠性验证等问题。对阳光电源而言,建议关注该技术在高温工况下的驱动芯片、温度传感电路及故障诊断模块的应用可能性。随着SiC器件成本持续下降和制造工艺成熟,这种建模方法论可迁移至氢能电解电源、车载充电机等新兴业务场景,支撑公司在极端环境应用领域建立技术护城河。当前阶段可通过产学研合作方式跟踪技术进展,适时布局相关知识产权。