Испытан первый в мире полупроводниковый модуль на мегаватт коммутируемой мощности
В Гонконгском университете разработали силовой модуль на полупроводнике со сверхширокой запрещенной зоной (UWBG). Впечатляющие параметры его испытаний приведены на страницах Nature Communications.
Кремниевые полупроводниковые приборы, коммутирующие большую мощность, приближаются к своим физическим пределам. Большие надежды в этом плане инженеры возлагают на полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как карбид кремния и нитрид галлия, потому что они легко выдерживают экстремальные электрические поля.
Еще более перспективный материал — UWBG оксид галлия Ga₂O₃. Но он очень плохо отводит тепло, что затрудняет построение сборок и каскадирование приборов в одном корпусе.
«Мы показали, что тепловые ограничения оксида галлия вовсе не обязательно мешают ему достигать очень высоких уровней мощности, Вместо того чтобы рассматривать полупроводниковый прибор и его корпус по отдельности, мы проектировали их как единую систему. Такая совместная оптимизация прибора и упаковки позволила нам одновременно управлять электрическим полем, тепловым потоком и механическими напряжениями», — пояснил профессор Чжан Юхао, руководивший исследованием.
Авторы разработали новую архитектуру «охлаждения со стороны перехода», при которой нагревающаяся часть полупроводника располагается близко к пути отвода тепла. Кроме того, ввели изолирующий слой с высокой диэлектрической проницаемостью, который помогает перераспределять электрическое поле вокруг прибора. Вместе эти решения позволяют теплу уходить эффективнее и одновременно повышают максимальное напряжение, которое способен выдержать прибор.
Одиночный корпусированный диод на Ga₂O₃ смог проводить ток 234 ампера при обратном напряжении 1000 вольт в импульсном режиме, сохраняя работоспособность при температуре перехода выше 250 °C; напряжение необратимого пробоя у него превысило 2000 В.
Шесть кристаллов собрали в сборку, которая продолжительное время коммутировала ток 1000 А при напряжении 1000 В на частоте 1 кГц.
«Это первый случай, когда многокристальный модуль на полупроводнике со сверхширокой запрещенной зоной достиг мегаваттного уровня мощности. Результат дает масштабируемый подход к превращению исключительных свойств UWBG в практические мощные системы», — подчеркнул ведущий автор исследования Гон Хехе.
Диодная сборка на мегаватт коммутируемой мощности — это лишь первый шаг на пути в тысячу ли. В перспективе на основе оксида галлия будут созданы силовые транзисторы для работы в энергосистемах, питания ускорителей и управления термоядерными реакторами.
