← 返回
储能系统技术 储能系统 GaN器件 ★ 4.0

级联GaN高电子迁移率晶体管在单脉冲浪涌电流应力下的失效机理研究

Investigations Into Failure Mechanism of Cascode GaN HEMTs Under Single Pulse Surge Current Stress

作者 Weihao Lu · Sheng Li · Weixiong Mao · Yanfeng Ma · Mingfei Li · Jie Ma
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年4月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 共源共栅氮化镓高电子迁移率晶体管 单脉冲浪涌电流应力 失效行为 焦耳热 浪涌电流能力
语言:

中文摘要

当共源共栅氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)在第三象限工作时,浪涌电流能力成为实际应用中的关键参数之一。本文研究了650 V共源共栅GaN HEMT在单脉冲浪涌电流应力下的失效行为和机制。对比实验结果表明,高浪涌电流及其导致的浪涌电压升高会使耗尽型(D型)GaN HEMT发生不可逆失效。进一步的物理失效分析将失效点定位在漏极电极附近。此外,通过混合模式仿真验证了,漏极电极附近的焦耳热会迅速积累,最终导致器件烧毁。此外,研究证明改善器件漏极金属焊盘的散热性能可提高浪涌电流能力,这为共源共栅GaN HEMT在第三象限工作时提供了一种易于实施的优化方案。

English Abstract

When Cascode gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs) operate in the third quadrant, the surge current capability becomes one of the key parameters for practical applications. In this article, the failure behavior and mechanism of a 650 V Cascode GaN HEMT under single-pulse surge current stress are investigated. Comparative experimental results demonstrate that the irreversible failure occurs in the depletion-mode (D-mode) GaN HEMT, driven by high surge current and its resultant increasing surge voltage. Further physical failure analysis localized the failure point around the drain electrode. Moreover, by mixed-mode simulations, it is validated that joule heat accumulates rapidly around the drain electrode and eventually causes the device to burn out. Besides, it is proved that better heat dissipation for drain metal pads of devices improves the surge current capability, which provides an easy-to implement optimization for Cascode GaN HEMTs when operating in the third quadrant.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于级联GaN HEMT器件在单脉冲浪涌电流应力下失效机制的研究具有重要的工程应用价值。在光伏逆变器和储能变流器系统中,功率开关器件经常面临电网故障、负载突变等引发的浪涌电流冲击,GaN器件的第三象限工作能力直接关系到系统的可靠性和安全性。

该研究通过实验和仿真揭示了级联GaN HEMT的失效路径:在高浪涌电流作用下,耗尽型GaN器件的漏极电极区域因焦耳热快速积累而成为失效薄弱点。这一发现对我们的产品设计具有直接指导意义。在大功率组串式逆变器和储能PCS产品中,GaN器件凭借高频、低损耗优势正逐步替代传统硅基IGBT,但其浪涌承受能力一直是应用瓶颈。该论文提出的漏极金属垫散热优化方案,为我们提供了可快速实施的改进路径,可通过优化PCB布局、增强散热设计等手段提升器件的浪涌耐受能力。

从技术成熟度评估,该研究仍处于失效机理分析阶段,距离形成完整的设计规范尚需时日。对阳光电源而言,机遇在于可将这些研究成果转化为差异化的热管理技术和器件选型标准,提升产品在严苛电网环境下的生存能力。挑战则在于需要平衡散热优化与成本控制、功率密度的矛盾,同时建立针对GaN器件的全面可靠性验证体系。建议与上游GaN供应商深度合作,推动封装和芯片层面的协同优化,在下一代高功率密度逆变器产品中率先实现技术突破。