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系统并网技术 SiC器件 ★ 4.0

考虑珀尔帖效应和汤姆逊效应的4H-SiC GTO晶闸管改进热模型

Modified Thermal Model Considering Peltier Effect and Thomson Effect for 4H-SiC GTO Thyristors

作者 Zihan Zhang · Lei Yuan · Yang Liu · Bo Peng · Weiqun Hou · Peng Dong
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年4月
技术分类 系统并网技术
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅门极可关断晶闸管 热失效机制 塞贝克效应 修正模型 热行为
语言:

中文摘要

碳化硅(SiC)门极可关断晶闸管(GTO)具有高电流密度、高阻断电压、高开关频率和优异的热阻等特点,非常适合作为脉冲功率系统中的脉冲开关。然而,其可靠性仍然是一个亟待关注的关键问题。目前关于SiC GTO热失效机制的研究有限,部分原因是忽略了p - n结电压对热分布的影响。在本研究中,对热力学模型中的塞贝克系数(S)进行了修改,首次考虑了4H - SiC GTO中由塞贝克效应引起的、以往被忽略的珀尔帖热和汤姆逊热。仿真分析表明,修改后的模型能更精确地捕捉到GTO阳极下方的局部热集中现象。修改后的模型预测,在阳极下方6μm区域内的发热量比默认值大约多$1\times 10^{9}$ W/cm²。这一结果凸显了该模型捕捉塞贝克效应的能力,而默认的TCAD模型中忽略了这一效应,该模型为4H - SiC GTO及其他双极型功率器件的热行为提供了更准确的描述。

English Abstract

Silicon carbide (SiC) gate turn-off thyristors (GTOs), distinguished by their high current density, high blocking voltage, high switching frequency, and excellent thermal resistance, are highly suitable as pulse switches in pulsed power systems. However, their reliability remains a critical issue requiring urgent attention. Existing research on the thermal failure mechanisms of SiC GTOs is limited, partly due to the neglect of p-n junction voltage effects on thermal distribution. In this work, the Seebeck coefficient (S) in the thermodynamic model is modified, which considers for the first time the previously neglected Peltier and Thomson heats induced by the Seebeck effect in 4H-SiC GTOs. Simulation analysis reveals that the modified model captures localized heat concentration beneath the GTO anode with enhanced accuracy. The modified model predicts approximately 1 10^9 W/cm2 more heat generation within the 6- m region beneath the anode. This result highlights the model’s ability to capture the Seebeck effect, which was omitted in the default TCAD model, providing a more accurate representation of the thermal behavior in 4H-SiC GTOs and other bipolar power devices.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于4H-SiC GTO晶闸管热模型优化的研究具有重要的战略参考价值。作为全球领先的新能源设备制造商,我们在光伏逆变器、储能变流器等核心产品中大量应用功率半导体器件,而SiC器件正是我们实现高功率密度、高效率产品设计的关键技术路径。

该研究首次在热模型中引入Peltier效应和Thomson效应修正,揭示了GTO器件阳极下方6微米区域存在约10^9 W/cm²的额外热量集中。这一发现对我们的产品可靠性设计具有直接指导意义。在大功率储能PCS和集中式逆变器应用中,功率器件的热失效是系统可靠性的主要瓶颈之一。更精确的热模型能够帮助我们优化散热设计、改进封装工艺,并建立更准确的器件寿命预测模型,这对提升产品在严苛环境下的25年运行可靠性至关重要。

然而需要指出的是,GTO器件目前在新能源领域的应用相对有限,我们更多采用IGBT和SiC MOSFET方案。但该研究所揭示的Seebeck效应对双极型功率器件热分布的影响机理,同样适用于IGBT等器件的热设计优化。建议我们的研发团队关注这一建模方法,将其应用于现有TCAD仿真流程中,特别是在开发新一代高电流密度SiC器件时,需要重新评估局部热点对器件可靠性的影响。

从技术成熟度看,这仍是基础研究阶段,但为我们建立更精确的多物理场仿真平台提供了理论支撑,有助于缩短产品开发周期并提升设计裕量的准确性。