一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法

实现准确的结温监测对增强绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性、延长器件寿命至关重要。文章提出了一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法,具有不受负载电流干扰的特性。该方法首先验证了关断电压作为温敏电参数的合理性;其次,采用深度神经网络(DNN),排除关断电压对负载电流的依赖,达到不同工况下保持准确结温预测的目的;最后,通过单相脉宽调制(PWM)进行试验验证。结果显示,该结温监测方法误差在±5℃的范围内,这表明利用DNN优化结温监测是可行的。

一种IGBT简化结温曲线计算方法

文章基于离散积分原理实现对基波周期内的结温量化表达,开发了一种简化结温曲线方法,将包含详细结温信息的结温波动曲线转换为仅含关键结温信息的简化结温波动曲线,计算精度高,同时能够快速确定最大/最小结温及其出现时刻,极大地降低了计算负担。通过不同基波频率的结温仿真分析,文章所提方法能很好反映结温波动变化,计算精度高。相较于其他结温计算方法,文章所提方法的计算速度优势明显,适应于长时间尺度计算。最后,通过功率考核试验实测结温波动,验证了该方法的准确性。

晶体管级异质集成技术及其典型应用

晶体管级异质集成是后摩尔时代半导体微波器件技术发展的重点方向。介绍了针对平面和纵向两类不同结构器件分别开发的介质键合和金属键合两套外延层转移晶体管级异质集成工艺,研制出基于介质键合工艺的金刚石衬底GaN HEMT微波功率器件和基于金属键合工艺的SiC衬底GaAs PIN限幅器电路。测试结果表明,与常规的SiC衬底GaN HEMT器件相比,金刚石衬底GaN HEMT器件在高热耗工作下器件热阻减小超过50%,连续波工作输出功率和功率附加效率分别提高0.77 dB和5.6个百分点;与常规工艺的GaAs衬底限幅器相比,18~40 GHz SiC衬底GaAs PIN限幅器单片电路限幅电平基本一致,插入损耗改善约0.2 dB,耐功率能力提高3 dB以上。

基于导通饱和压降的IGBT器件结温在线提取方法

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块的结温与工作性能、寿命及其可靠性密切相关,实现IGBT结温在线监测对电力电子系统可靠性提升与服役寿命的延长有着重要意义。文章基于IGBT的导通压降,分别构建了小电流和大电流饱和压降法结温监测模型和测量电路,实现IGBT结温的精确在线监测。首先,结合IGBT的工作原理,推导了导通压降的表达式;然后,根据小电流和大电流饱和压降的特点,分别建立了其结温监测模型;最后,设计了小电流恒流源电路和导通压降采样电路,并进行试验验证。试验结果表明:小电流饱和压降与IGBT结温呈线性关系,大电流饱和压降与结温呈非线性关系,并且二者实现结温监测的误差分别为1.29%和4.91%。

晶圆级柔性高性能GaN HEMT及InP HBT器件

通过研究基于临时键合与解键合工艺的GaN、InP等材料无损剥离和晶圆级柔性集成等关键技术,提出了解决当前柔性化合物半导体器件普遍存在的转移后器件性能退化严重和大面积批量制造困难等问题的方案,制备出100 mm(4英寸)柔性GaN HEMT器件和75 mm(3英寸)InP HBT器件。其中,柔性GaN HEMT器件的饱和电流衰减仅为8.6%,柔性InP HBT器件的电流增益截止频率和最高振荡频率分别达到了358 GHz和530 GHz。表明采用本文介绍的柔性化方法制备的柔性电子器件在高频大功率等领域具有较好的应用前景。

横向增强型双侧栅结构GaN JFET优化设计

提出了一种新型横向双侧栅结构的GaN JFET,并通过SILVACO软件对器件的沟道宽度、沟道电子浓度和p-GaN空穴浓度进行了优化,得到了阈值电压和输出电流与器件参数之间的变化规律,通过参数优化得到了增强型GaN JFET的结构参数条件。随后对设计的横向双侧栅结构增强型GaN JFET器件进行了击穿特性研究,发现当沟道长度短至0.5μm时,会出现严重的短沟道效应;当沟道长度大于1μm后,器件击穿电压由栅极与漏极间寄生PN结反向击穿决定,与沟道长度无关;采用RESURF(Reduced surface field)终端结构可以显著提升器件击穿电压,优化后的增强型GaN JFET器件击穿电压超过1200 V。此外,采用p型GaN缓冲层替代n型GaN缓冲层,能够有效提高器件的栅控能力。

IGBT模块动态雪崩测试研究

在IGBT关断过程中,当芯片内部产生巨大的电场时会发生动态雪崩现象。文章通过设计试验方案并加以验证,探究了不同试验变量对IGBT动态雪崩以及雪崩耐量的影响。结果表明,电流和电感会对模块动态雪崩产生极大的影响,栅极电阻能够延缓模块内部动态雪崩的发生并提升模块雪崩耐量,母线电压也会对模块雪崩耐量的提升产生巨大影响,常温和高温下模块的雪崩耐量差距大。

热界面材料层空洞对有无基板IGBT模块芯片结温影响对比研究

新兴的无基板模块广泛应用于新能源领域,其对热界面材料的涂敷要求较高,但相关的研究目前较少。文章针对热界面材料(Thermal Interface Material,TIM)层空洞率不同时,对有、无基板IGBT模块上的芯片结温变化规律进行了仿真研究。通过建立精确数值模型进行稳态热仿真试验,根据试验结果定量分析有、无基板模块上的芯片结温受TIM空洞影响程度。结果表明,相比无基板模块,有基板模块上的芯片结温低,试验芯片分别低8.578 K和9.544 K左右;在TIM层空洞率上升时,对于结温升高速率,无基板模块比有基板模块大,无基板模块的大芯片和小芯片的升温速率分别约为对应的有基板模块大、小芯片的32.190倍和240.875倍;大芯片结温上升速率均比小芯片低,对于有、无基板的模块而言,前者分别约为后者的23倍和3倍。无基板模块对TIM层状态更敏感,要求更高。

基于卷积神经网络的空间导航信号自动抗干扰技术研究

由于空间导航信号在传输过程中易受其他信号的干扰,为此构建基于卷积神经网络的空间导航信号自动抗干扰模型。利用卷积层的局部过滤器,对输入的信号内积计算,将维数值传输至池化层局部求平均值,提取特征信号;对有用信号实施波束保形,使得在抑制干扰信号的同时保护有用信号,计算空间导航信号信噪比。由信道、天线阵面、自适应处理模块和组合定位系统构建自动抗干扰模型,实现对干扰信号的自动抑制。仿真实验结果表明,所提方法可对干扰信号精准估计,并将误差控制在最小,实现了确保有用信号不被破坏的前提下对干扰信号的有效抑制。

Effects of Strain Channel on Electron Irradiation Tolerance of InP-based HEMT Structures

The introduction of strain In_(x)Ga_(1-x)As channel with high In content increases the confinement of the two-dimensional electron gas(2DEG)and further improves the high-frequency performance of InGaAs/InAlAs/InP HEMTs.The effect of In_(x)Ga_(1-x)As channel with different In contents on electron irradiation tolerance of InP-based HEMT structures in terms of 2DEG mobility and density has been investigated.The experiment results show that,after the same high electron irradiation dose,the 2DEG mobility and density in InP-based HEMT structures with strain In_(x)Ga_(1-x)As(x>0.53)channel decrease more dramatically than that without strain In_(0.53)Ga_(0.47)As channel.Moreover,the degradation of 2DEG mobility and density becomes more severe as the increase of In content and strain in the In_(x)Ga_(1-x)As channel.The research results can provide some suggestions for the design of radiation-resistant InP-based HEMTs.

焊料空洞对IGBT模块功率循环寿命的影响

焊料空洞作为焊接层缺陷,对IGBT模块功率循环寿命影响尚且未知,研究焊料寿命影响因素对于提高IGBT模块可靠性具有重要意义。考虑到IGBT模块制造过程中出现的工艺空洞具有随机大小和随机未知的特征,文章针对不同空洞率的双面散热IGBT模块开展同一试验条件下的功率循环试验。试验结果发现,空洞率越高,待测器件的功率循环寿命越短。为了揭示其影响原理,文章建立了具有不同空洞率的IGBT模块三维有限元模型,并且构建的空洞具有与实际工艺造成的空洞相符合的随机大小和随机位置的特征。通过有限元仿真发现,空洞率越高,焊料层和芯片的最高温度越高,引起的黏塑性应变越大,因此其功率循环寿命越短。基于功率循环试验和疲劳仿真结果,IGBT模块焊接层空洞率极限推荐值为3%,该研究成果可为IGBT模块焊料空洞筛选步骤提供参考。

电力电子器件在柔性直流输电中的应用与发展

柔性直流输电是以新能源为主体的新型电力系统的核心技术,具有有功无功独立控制、响应快速灵活、扩展性强、无换相失败等优点,广泛应用于新能源送出、异步电网互联、孤岛供电和远距离大容量输电等场景。电力电子器件在柔性直流输电中起着交直流变换的重要作用,目前国内外的柔性直流输电工程普遍采用3.3 kV和4.5 kV等级的功率器件(IGBT),为满足“双碳”目标下大型新能源远距离大容量直流输电送出工程和远海风电场大规模开发利用的需求,功率器件也向着更高电压、更大电流的方向发展。文章对柔性直流输电技术中电力电子器件的发展现状和趋势进行梳理,以国内多个有代表性的柔性直流输电工程为例,系统地阐述了电力电子器件在柔性直流工程中的应用现状,重点介绍了应用于柔性直流的电力电子器件主要技术特点。最后,展望了高压大功率电力电子器件的应用方向与发展趋势。

IGBT失效能量传导及能量冲击影响研究

IGBT作为功率开关器件,具有载流密度大、饱和压降低等许多优点,广泛应用于各类电力工程领域,但其也是功率变流器系统最主要的失效部分。当IGBT模块发生短路时,短路电流急剧增大,使得IGBT芯片发热剧烈,当短路能量足够高时,将会引发芯片失效,从而产生大量高温高压的爆生气体。爆生气体经过初始膨胀后将以冲击波能和气体能的形式作用于管壳,当模块管壳无法束缚失效能量时,将会造成模块管壳炸损。如何评估失效能量冲击,文章提出了5种评估方法,即管壳损坏程度评估法、高速摄影法、冲击传感器测量法、电参数测试法、电容能量释放法。通过试验验证发现,管壳损坏程度评估法较为有效,可以使短路能量对管壳的影响变成一个可以定量计算的问题,从而指导管壳结构优化、评价管壳材料强度、限制失效能量对其他子系统的次生伤害。

微波低噪声硅晶体管的方波电磁脉冲损伤研究

为了得到电磁脉冲注入对硅半导体器件的作用效应,对两个批次的同型号微波低噪声硅晶体管进行方波注入试验,得出了此类器件对电磁脉冲的最灵敏端对CB结和最敏感参数VBRCEO、损伤电压值、损伤电流值及损伤功率值。电磁脉冲注入时,通过示波器记录晶体管上的瞬时电压、电流波形并得出器件瞬时功率波形。将器件损伤时出现的二次击穿点的功率平均值作为该器件的损伤功率值,将二次击穿点的延迟时间与对应的损伤功率值作P-T图,得出其拟合曲线方程。根据拟合方程把各延迟时间下的损伤功率换算为1μs脉宽下的功率值,统计其损伤能量基本符合正态分布。经分析,器件方波电磁脉冲注入时的损伤机理为热二次击穿。

SiGe HBT大电流密度下的基区渡越时间模型

在考虑基区扩展效应及载流子浓度分布的基础上,建立了SiGeHBT的基区渡越时间模型。该模型既适合产生基区扩展的大电流密度,又适合未产生基区扩展的小电流密度。模拟分析结果表明,与SiBJT相比,SiGeHBT基区渡越时间显著减小,同时表明,载流子浓度分布对基区渡越时间有较大影响。

最大振荡频率为200GHz的蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT(英文)

报道了最大振荡频率为200 GHz的基于蓝宝石衬底的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT).外延材料结构采用InGaN背势垒层来减小短沟道效应,器件采用凹栅槽和T型栅结合的工艺,实现了Ka波段AlGaN/GaNHEMT.器件饱和电流达到1.1 A/mm,跨导为421 mS/mm,截止频率(fT)为30 GHz,最大振荡频率(fmax)为105GHz.采用湿法腐蚀工艺将器件的Si3N4钝化层去除后,器件的Cgs和Cgd减小,器件截止频率提高到50 GHz,最大振荡频率提高到200 GHz.

自对准GaInP/GaAs HBT器件

利用发射极金属掩蔽进行内切腐蚀的方法研制成自对准 In Ga P/Ga As异质结双极晶体管 ( HBT) ,其特征频率 ( ft)达到 5 4 GHz,最高振荡频率 ( fmax)达到 71GHz,并且 ,这种方法工艺简单 ,成品率高 .文中还对该结果进行了分析 。

14W X波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC(英文)

报道了研制的SiC衬底AlGaN/GaN HEMT微带结构微波功率MMIC,芯片工艺采用凹槽栅场板结构提高AlGaN/GaN HEMTs的微波功率特性.S参数测试结果表明AlGaN/GaN HEMTs的频率特性随器件的工作电压变化显著.研制的该2级功率MMIC在9～11GHz带内30V工作,输出功率大于10W,功率增益大于12dB,带内峰值输出功率达到14.7W,功率增益为13.7dB,功率附加效率为23%,该芯片尺寸仅为2.0mm×1.1mm.与已发表的X波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC研制结果相比,本项工作在单位毫米栅宽输出功率和芯片单位面积输出功率方面具有优势.

在液氮温度下具有高增益的SiGe/SiHBT

本文分析了硅双极晶体管电流增益在低温下减小的原因．通过优化设计，研制出在液氮温度下具有高增益的SiGe／SiHBT，并分析了其工作机理．

UVCVD/UHVCVD技术制备SiGe HBT材料

介绍了一种新的制备SiGe/Si材料的化学气相沉积技术.该技术组合了紫外光化学气相沉积和超高真空化学气相沉积两种技术的优点,具有超高真空背景和低温淀积的特点.应用该技术在10-7Pa超高真空背景、450℃淀积温度及低于10Pa反应压力的条件下,外延生长了器件级SiGeHBT材料.SIMS分析表明,材料层界面清晰,Ge组分和掺杂分布平坦.此外,还研制出了SiGeHBT器件.