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低温电力电子中单极功率半导体的热失控现象
The Thermal Runaway Phenomenon of Unipolar Power Semiconductors in Cryogenic Power Electronics
Julius Zettelmeier · Raffael Schwanninger · Martin März · IEEE Transactions on Power Electronics · 2025年4月
氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）和硅金属氧化物半导体场效应晶体管功率器件在低温环境下的传导损耗大幅降低。因此，目前航空研究领域对低温冷却技术展开了广泛研究。然而，这样的低温环境会引发一种此前基本未被关注但对安全至关重要的“热失控”现象，且随着冷却液温度的降低，该现象会愈发严重。这种效应的产生是因为芯片产生的损耗随温度升高而增加的速度，比芯片能够传导出去的热量增加的速度更快。与室温下的常见情况不同，随意增大温度波动幅度并不能实现更高的电流密度。相反，当达到某个临界点后，系统将进入热自...
解读: 从阳光电源的业务视角来看，这篇论文揭示的低温功率半导体热失控现象具有重要的前瞻性意义，但也提示了潜在的技术风险。 GaN HEMT等功率器件在低温环境下导通损耗显著降低，这与我们在光伏逆变器和储能变流器中追求的高效率目标高度契合。特别是在大功率集中式逆变器和MW级储能系统中，若能通过低温冷却技术将...
锂电池热失控气体的逸散及时空分布特性
Gas Release and Spatiotemporal Distribution Characteristics of Thermal Runaway in Lithium Batteries
范文强 · 史梓男 · 杨代铭 · 梁惠施 · 高电压技术 · 2025年6月 · Vol.51
热失控气体预警是储能系统安全防护的关键环节，气体扩散与分布特性直接影响预警有效性。通过数值模拟结合实验，研究预制舱内单体电池在不同位置发生热失控时H2的逸散规律及气体时空分布特征。结果表明：热失控位置由电池簇底层中部移至角落时，H2传感器响应延迟，各区域最大体积分数及特征值均下降，稳态分布差异增大；底部气体受上方模组阻挡导致分布不对称；传感器不宜布置于舱体上部角落或中下部过道两端；角落热失控探测条件更恶劣，整体响应性能较差。研究为气体传感器布局优化提供依据。
解读: 该研究对阳光电源PowerTitan储能系统和ST系列储能变流器的安全防护具有重要应用价值。研究揭示的H2气体时空分布规律可直接指导储能集成方案中气体传感器的优化布局：避免在舱体上部角落和中下部过道两端布置传感器，针对角落电池簇热失控响应延迟问题需增设冗余探测点。结合iSolarCloud云平台的智...
基于超声检测技术的磷酸铁锂储能电池过充热失控早期预警
Early Warning of Overcharge-Induced Thermal Runaway in Lithium Iron Phosphate Energy Storage Batteries Based on Ultrasonic Detection Technology
王俊翔 · 唐佳 · 李雨珮 · 夏凌寒 等7人 · 高电压技术 · 2025年7月 · Vol.51
针对磷酸铁锂电池热失控难题，提出一种原位超声透射方法，结合多参数监测构建内外参量综合测试系统。研究不同工况下电池内外响应特性，揭示超声信号对内部演变的敏感机制。结果表明，超声信号强度（Urms）和飞行时间（TOF）可有效反映电池状态变化，其中Urms对温度与荷电状态（SOC）更敏感；过充导致超声衰减显著增强，信号湮没早于防爆阀开启，具备早期预警潜力。基于改进马田系统实现防爆阀开启前30分钟预警，为储能电池热失控早期识别提供技术支撑。
解读: 该超声检测技术对阳光电源PowerTitan储能系统和ST系列储能变流器的安全防护具有重要价值。磷酸铁锂电池过充热失控是大型储能系统的核心安全隐患，研究提出的超声透射方法可实现防爆阀开启前30分钟预警，显著早于传统温度/电压监测。建议将超声传感器集成到PowerTitan电池簇BMS中，结合iSol...
过流应力下氮化镓高电子迁移率晶体管失效机制的实验与仿真研究
Experimental and Simulation Study on the Failure Mechanism of GaN HD-GIT Under Overcurrent Stress
Xi Jiang · Jing Chen · Chaofan Pan · Hao Niu 等6人 · IEEE Transactions on Electron Devices · 2025年8月
本文研究了氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）在过流应力下的失效机制。评估了氮化镓混合漏极嵌入式栅极注入晶体管（HD - GIT）器件在不同应力条件下的过流行为，并确定了主要的失效模式。分阶段分析了GaN器件在过流事件期间的波形，并剖析了每个阶段背后的物理机制。进行了数值技术计算机辅助设计（TCAD）模拟，以分析过流应力期间的电场分布和电子迁移率的变化。通过模拟分析研究了热失控和漏极/衬底击穿失效。结果表明，GaN HEMTs中的热失控失效是由于电子迁移率降低和沟道内电场增加引发的，热...
解读: 从阳光电源的业务视角来看，这项关于GaN HD-GIT器件过流失效机制的研究具有重要的技术价值和应用意义。GaN功率器件凭借其高开关频率、低导通损耗和高功率密度等优势，已成为光伏逆变器和储能变流器等产品实现高效率、高功率密度的关键技术路径。 该研究通过实验与TCAD仿真相结合，系统揭示了GaN H...
重复脉冲功率应力下SiC门极可关断晶闸管退化机理分析
Degradation Mechanism Analysis for SiC Gate Turn-Off Thyristor Under Repetitive Pulse Power Stress
Haoshu Tan · Juntao Li · Yinghao Meng · Lin Zhang 等6人 · IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics · 2025年5月
SiC门极可关断(GTO)晶闸管被视为提高脉冲功率应用功率密度和效率的先进方案。全面研究循环脉冲应力下的长期退化和机理,器件重复承受5.0kA约40微秒正弦波脉冲应力。阈值栅极电流降低和栅极漏电流增加是主导退化模式。界面测量揭示SiC/SiO2界面阳极和栅极间定位的碳原子增强电子俘获是阈值电流不稳定性的主要原因。扫描电镜图像显示循环脉冲应力最终导致热失控以及阳极-栅极边界定位的空洞和裂纹形成。
解读: 该SiC GTO退化机理研究对阳光电源SiC器件可靠性评估有重要参考价值。阈值电流和界面缺陷退化机理分析可应用于ST储能变流器和SG光伏逆变器的SiC器件选型和可靠性设计,提高长期稳定性。该研究对PowerTitan大型储能系统的脉冲功率应力评估和寿命预测有指导意义,可优化器件工作条件并延长使用寿命...
利用相变复合材料的各向异性抑制锂离子电池热失控和实现快速充电
Harnessing anisotropy of phase change composites for taming thermal runaway and fast charging of lithium-ion batteries
Anirban Chakraborty · Jooyoung Lee · Choongho Yu · Applied Energy · 2025年1月 · Vol.389
摘要 在锂离子电池（LIB）中，将温度均匀地控制在自燃点以下对于实现最佳性能并避免潜在的热失控至关重要。局部热量积聚或热点现象凸显了有效热管理的必要性，这要求在通过细胞间通常插入的隔层材料将热量快速排散至外部散热器与限制相邻电池之间的热传播之间取得精细平衡。本研究提出了一种新颖的策略，采用具有双热导率（k）的层压复合材料：面内高k值以实现高效的热量排出，面外低k值以抑制热扩散。该方法利用层压材料的各向异性，被动应对快速充电过程中热点管理和防止热失控传播的挑战。虽然高k值复合材料能够迅速传热，但可...
解读: 该各向异性相变复合材料技术对阳光电源储能系统具有重要应用价值。针对PowerTitan等大规模储能产品,面内高导热(30 W·m⁻¹·K⁻¹)可快速将电芯热量导向液冷板,面外低导热(0.5 W·m⁻¹·K⁻¹)有效阻隔簇间热蔓延,可优化ST系列PCS的电池热管理策略。该技术在快充工况下抑制热点积聚,...