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系统并网技术 ★ 4.0

电压斜坡影响下的基极-发射极短接硅雪崩晶体管击穿特性

Avalanche Breakdown in the Base-Emitter-Shorted Silicon Avalanche Transistor Affected by Voltage Ramp

作者 Long Hu · Hanqing Qiao · Jiahui Fu · Xiangyu Wang · Huan Wang · Xiaoshuai Wu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2024年12月
技术分类 系统并网技术
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 直流偏置雪崩双极晶体管 快速电压斜坡 开关特性 测试电路 二维模拟
语言:

中文摘要

本文探讨了基极和发射极短接的直流偏置雪崩双极结型晶体管(ABJT)在快速电压斜坡信号触发下的超快开关特性。施加快速的电压变化率(dV/dt)斜坡信号时,晶体管因强烈的雪崩电离效应而导通。研究发现,不同的dV/dt斜坡信号会使晶体管的开关特性和机制产生显著差异。因此,我们搭建了测试电路来研究单个ABJT的特性。在实验中,当斜坡信号的上升时间从2.2纳秒减小到181皮秒时,输出脉冲的上升时间分别从1.3纳秒减小到156皮秒。我们分别对上升时间为2.2纳秒和181皮秒的典型dV/dt斜坡信号下的开关瞬态过程进行了分析。二维仿真结果与ABJT实验电压曲线吻合良好。此外,还通过数值计算讨论了电压斜坡信号对开关特性的影响。

English Abstract

This article discusses the ultrafast switching of the dc-biased avalanche bipolar junction transistor (ABJT) with short-connected base and emitter, utilizing the trigger of a fast voltage ramp through the device. Applying by the fast dV/dt ramp, the transistor switched on due to powerful avalanche ionization. It was found that the switching properties and mechanisms were much different by varying dV/dt ramps. Therefore, we constructed a testing circuit to investigate the characteristics of the individual ABJT. When the rise time of the ramp decreased from 2.2 ns to 181 ps, the rise time of the output pulse decreased from 1.3 ns to 156 ps, respectively, in our experiments. The switching transients were analyzed featuring typical dV/dt ramps with risetimes of 2.2 ns and 181 ps, respectively. The results of 2-D simulations showed good agreements with experimental voltage curves in the ABJT. Moreover, the switching characteristics affected by the voltage ramps were also discussed numerically.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于基极-发射极短接硅雪崩晶体管(ABJT)超快开关特性的研究,对我们在高频功率转换领域具有重要参考价值。

该研究揭示了通过快速电压斜率(dV/dt)触发可实现亚纳秒级开关速度,当上升时间从2.2纳秒降至181皮秒时,输出脉冲上升时间可达156皮秒。这种超快开关特性对我们的光伏逆变器和储能变流器产品具有潜在应用价值。在高频化趋势下,功率器件开关速度的提升直接影响系统效率和功率密度。若能将类似技术应用于我们的多电平拓扑结构中,有望进一步降低开关损耗,提升系统整体效率。

然而,从实用化角度评估,该技术仍处于基础研究阶段,面临多重挑战。首先,雪崩击穿机制虽然能实现极快开关,但在新能源系统的连续运行工况下,器件可靠性和热管理是关键问题。其次,该研究聚焦于单管特性,而我们的逆变器和储能系统需要多器件并联和串联,如何保证一致性和同步控制需要深入验证。再者,相比成熟的IGBT和SiC MOSFET技术,ABJT在导通损耗、电流容量等方面的综合性能尚需评估。

建议我们的研发团队持续关注超快开关技术的发展动态,特别是在高压大功率应用场景中的可行性。短期内可将其作为技术储备,重点关注其在脉冲功率、浪涌保护等特定场景的应用潜力,为未来产品差异化竞争做好技术准备。