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垂直堆叠级联GaN HEMT功率模块的热行为研究
Thermal Behavior in Vertically Stacked Cascode GaN HEMT Power Modules Including Mutual Heating, Dissipation Disturbance, and Solder Voids
Sungtaek Hwang · Eun Pyo Hong · Min-Ki Kim · Dong Keun Jang 等5人 · IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology · 2025年9月 · Vol.16
本文研究垂直堆叠级联GaN功率模块的热行为，揭示互加热、散热路径受限及焊料空洞三大热挑战。FEA仿真与实验表明：堆叠结构峰值温升比横向结构高约30%，空洞（尤其Si MOSFET下方）加剧热点；温度循环摆幅被提出为新可靠性指标。仿真与实测偏差<1.5%。
解读: 该研究对阳光电源ST系列PCS、PowerTitan储能系统及组串式逆变器中高频、高功率密度GaN功率模块的热设计具有直接指导价值。焊料空洞控制与多层堆叠热路径优化可提升PCS在高温工况下的长期可靠性；建议在下一代宽禁带半导体驱动的逆变器/PCS研发中强化有限元热-电耦合仿真，并将‘温度摆幅’纳入模...
垂直堆叠级联GaN HEMT功率模块中的热行为研究
Thermal Behavior in Vertically Stacked Cascode GaN HEMT Power Modules including Mutual Heating, Dissipation Disturbance, and Solder Voids
Sungtaek Hwang · Eun Pyo Hong · Min-Ki Kim · Dong Keun Jang 等5人 · IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology · 2025年9月
与传统的横向配置相比，垂直堆叠式共源共栅氮化镓（GaN）功率器件具有显著的电气优势，包括降低寄生电感、设计紧凑以及功率密度高等。然而，将硅MOSFET直接堆叠在GaN HEMT上方会带来重大的热挑战。本研究确定了三个主要的热问题：芯片之间的相互加热、散热路径受限以及焊料空洞导致的热退化。有限元分析（FEA）模拟表明，由于这些影响，堆叠式设计的峰值温度比横向设计大约高30%。模拟还显示，焊料空洞，尤其是硅MOSFET下方的焊料空洞，会干扰垂直热流并加剧热点的形成。通过使用定制制造的模块在重复开关操...
解读: 从阳光电源的业务视角来看，该论文揭示的垂直堆叠共源共栅GaN功率模块技术对我们在光伏逆变器和储能系统领域的产品升级具有重要参考价值。垂直堆叠架构能够显著降低寄生电感、提升功率密度，这与我们追求高效率、小型化逆变器的产品路线高度契合，特别是在户用储能和工商业储能系统中，紧凑设计可直接转化为系统成本优势...
通过重新定义的三维J积分对低周热疲劳下功率模块的先进可靠性评估方法
Advanced Reliability Assessment Approach of Power Modules Under Low-Cycle Thermal Fatigue Through Redefined 3-D J-Integral
Jaejin Jeon · Sang Won Yoon · IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology · 2024年12月
功率模块是电动汽车和可再生能源系统等核心应用中的关键组件。然而，高性能功率模块通常会产生大量热量或经历较大的热波动，导致其焊料层出现严重的热疲劳。这种疲劳会威胁到模块的可靠性并缩短其使用寿命。传统上，这些现象是通过应力和应变测量来分析的，但这些基于力的方法往往无法准确预测焊料裂纹的萌生和扩展。为解决传统方法的局限性，本研究聚焦于一个名为 J 积分的断裂力学参数。具体而言，在各种改进版本的 J 积分中，本研究首次提出应用重新定义的 J 积分，即三维 <inline-formula xmlns:mm...
解读: 作为全球领先的新能源设备制造商，阳光电源的光伏逆变器、储能变流器等核心产品均高度依赖功率模块的可靠性。这些产品在实际运行中面临剧烈的热循环冲击——光伏逆变器需应对昼夜温差和负载波动，储能系统则承受频繁充放电导致的温度变化。功率模块焊料层的热疲劳失效是导致产品故障的主要原因之一，直接影响系统的25年以...