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通过结合微射流冷却与优化衬底的氮化镓肖特基势垒二极管热管理提升限幅器性能
Limiter Performance Improvement Through Thermal Management of GaN SBD Combined Microjet Cooling With Optimized Substrate
| 作者 | Rikang Zhao · Dichen Lu · Xuanwu Kang · Weike Wang · Lihua Wang · Shuangli Wu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓肖特基势垒二极管 热管理 射频性能 微射流冷却 高导热衬底 |
语言:
中文摘要
在本文中，我们报道了通过改善氮化镓（GaN）肖特基势垒二极管（SBD）的热管理来提升射频（RF）性能，并通过限幅器的应用进行了验证。得益于微射流冷却的快速散热，我们分析了热积累对GaN SBD性能的影响，证实了GaN横向异质结器件对高导热性衬底的依赖性。我们开发了一种使用高导热性碳化硅（SiC）衬底的GaN - SBD，其导通电阻降低了8%，饱和电流提高了12%。通过将微射流冷却与优化的衬底相结合，GaN SBD的热管理能力得到了显著增强。利用无源限幅器单片微波集成电路（MMIC）对RF性能进行了有效评估，结果表明，在80 W功率下，隔离度显著提高了3.5 dB，反射功率增加了14%。这些结果凸显了通过增强GaN SBD的热管理实现的RF性能提升，并对微射流冷却在高功率限幅器中的应用进行了初步探索。
English Abstract
In this article, we report enhancing RF performance by improving the thermal management of gallium nitride (GaN) Schottky barrier diodes (SBDs), demonstrated through the application of a limiter. Benefiting from the rapid heat dissipation of microjet cooling, the impact of heat accumulation on the performance of GaN SBDs is analyzed, demonstrating the dependence of GaN lateral heterojunction devices on high thermal conductivity substrate. A GaN-SBD using high thermal conductivity SiC substrate was developed, reducing on-resistance by 8% and improving saturation current by 12%. By combining microjet cooling with optimized substrates, the thermal management capability of GaN SBDs was significantly enhanced. RF performance was effectively evaluated using a passive limiter monolithic microwave integrated circuit (MMIC), showing the isolation was significantly improved by 3.5 dB at 80 W, and the reflected power was increased by 14%. The results highlight the improvements in RF performance achieved through enhanced thermal management of GaN SBDs and present a preliminary exploration of microjet cooling in high-power limiters.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于GaN肖特基二极管热管理优化的研究具有重要的战略参考价值。该技术通过微射流冷却与高导热SiC衬底的协同优化，显著提升了GaN器件的射频性能，这与我们在大功率逆变器和储能变流器领域面临的热管理挑战高度契合。
在光伏逆变器和储能PCS产品中，GaN功率器件正逐步替代传统硅基器件，以实现更高的功率密度和转换效率。该研究揭示的热累积效应对器件性能的制约机理，为我们优化GaN-MOSFET和二极管的散热设计提供了理论依据。特别是通过SiC衬底优化实现的8%导通电阻降低和12%饱和电流提升，直接对应着逆变器损耗降低和过载能力增强，这在大型地面电站和工商业储能系统中将带来显著的系统效率提升。
微射流冷却技术的引入展现了创新散热方案的潜力。尽管该技术目前主要应用于射频限幅器等特定场景，但其快速散热机制对我们开发超高功率密度的组串式逆变器和液冷储能系统具有启发意义。在350kW以上的大功率产品中，局部热点管理一直是制约功率密度提升的瓶颈，微尺度冷却技术可能提供突破路径。
然而，该技术的工程化应用仍面临挑战：微射流系统的可靠性、成本控制以及与现有液冷架构的兼容性需要深入评估。建议我们的中央研究院跟踪GaN器件热管理前沿技术，重点评估高导热衬底材料在车规级和工业级产品中的应用可行性，同时探索先进散热技术在1500V高压系统中的适配方案，为下一代高功率密度产品储备核心技术能力。