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基于载流子寿命的碳化硅光电导开关微波频率与输出功率之间的权衡
The Trade-Off Between Microwave Frequency and Output Power in SiC Photoconductive Switches Based on Carrier Lifetime
| 作者 | Ting He · Muyu Yi · Xinyue Niu · Jinmei Yao · Tao Xun · Langning Wang |
| 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 SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅光导开关 微波频率 输出功率 载流子寿命 调制深度比 |
语言:
中文摘要
本文基于载流子寿命，研究了垂直沟道硅离子注入（VCSI）4H-碳化硅（SiC）光电导半导体开关（PCSS）在微波频率和输出功率之间的权衡关系。制备了两种不同钒掺杂浓度的光电导半导体开关，并在0.5 - 2 GHz的频率范围内进行了测试。输出功率和调制深度比随微波频率的变化趋势表明，微波频率和输出功率之间存在权衡关系。这两种器件的输出功率分别约为40 W（@0.5 GHz）和160 W（@0.5 GHz）。利用瞬态吸收（TA）技术，测得这两种器件的载流子寿命分别为30 ps和460 ps，这揭示了载流子寿命越长，输出功率越高的关系。然而，较长的载流子寿命也会导致较低的调制深度比。此外，当载流子寿命不再是器件频率响应的主要限制因素时，上限截止频率受级间电容的限制。
English Abstract
The trade-off between microwave frequency and output power in VCSI 4H-silicon carbide (SiC) photoconductive semiconductor switch (PCSSs), based on carrier lifetime is investigated. PCSSs with two different vanadium doping concentrations are fabricated and tested across a frequency range of 0.5–2 GHz. The output power and modulation depth ratio trends with microwave frequency indicate a trade-off between microwave frequency and output power. The two devices exhibit output powers of approximately 40 W (@0.5 GHz) and 160 W (@0.5 GHz), respectively. Employing transient absorption (TA) techniques, the carrier lifetime of the two devices is determined to be 30 and 460 ps, revealing a relationship between longer carrier lifetime and increased output power. Nevertheless, the longer carrier lifetime also leads to a lower modulation depth ratio. Furthermore, when carrier lifetime ceases to be the primary constraining factor for the device’s frequency response, the upper cut-off frequency is constrained by the interstage capacitance.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于碳化硅（SiC）光导开关的研究具有重要的战略参考价值。该研究揭示了载流子寿命对微波频率和输出功率的权衡关系，这一机理对我们在高频功率电子器件领域的技术布局具有启发意义。
在光伏逆变器和储能变流器应用中，SiC器件已成为提升系统效率和功率密度的关键技术。本研究中光导开关展现的快速响应特性（载流子寿命30-460皮秒）与我们追求的高开关频率目标高度契合。若能将光导开关技术与现有SiC MOSFET或IGBT技术结合，有望在高频、高功率应用场景实现突破，特别是在储能系统的双向变流器和光伏逆变器的高频拓扑中。
该研究发现的技术权衡关系对产品设计具有指导意义：短载流子寿命器件虽然输出功率较低（40W），但能实现更高的调制深度比，适合高频控制应用；长载流子寿命器件（160W输出）则更适合需要较大功率处理能力的场合。这提示我们在不同应用场景需采用差异化的掺杂工艺策略。
然而，当前该技术仍处于实验室阶段，距离工业化应用尚有距离。主要挑战包括：光触发机制在大规模制造中的可靠性、成本控制，以及如何克服级间电容对高频性能的限制。对阳光电源而言，建议关注该技术在脉冲功率调制、快速保护电路等特定场景的应用可能性，同时加强与科研机构的合作，探索光电混合控制技术在新能源装备中的创新应用路径。