值此清华大学能源互联网创新研究院成立十周年之际，我们推出“建院十周年学术特辑”专栏，精选院内各研究团队已发表的学术成果，系统呈现研究院在能源互联网领域的前沿研究。本期推出直流研究中心的学术论文，发表于《高电压技术》，详见文末“阅读原文”。
自主可控的功率半导体器件仿真工具研发进展(一)：二维计算的精度
庄池杰，石清元，林波，彭晞雨，吴丹，刘志成，李立，施连军，任李鑫，纪瑞朗，余占清，吴锦鹏，魏晓光，曾嵘
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20242023
1）研究难点
难点一：物理模型复杂。功率半导体器件涉及非线性、强耦合物理机制，并呈强烈的时间和空间多尺度特性。PN结内载流子浓度可跨越十余个数量级；器件动态特性，同时包括纳秒级快变和毫秒级慢变过程。
难点二：数学求解困难。漂移扩散模型是强对流占优的扩散方程，与泊松方程耦合后，问题具有极高的条件数（可达1020甚至1030），传统迭代方法难以收敛;对流占优问题极易出现数值振荡。
难点三：器件-电路刚性耦合。功率半导体器件仿真需同时耦合器件偏微分方程和外电路代数微分方程，二者在数学性质和量级上存在显著差异。
图1 功率半导体器件仿真工具开发历程及支持的物理模型
3）二维计算的精度验证
以5种典型的真实功率器件（如图2所示）的12种工况，和真实物理模型的不同组合的遍历穷举，在计算网格上逐点比对电子浓度、空穴浓度和电势与垄断商软Sentaurus TCAD计算结果的相对差异，取每个变量在全部点上的最大相对差异作为该变量的“最大相对差异”。如图3所示，相对差异大于1×10−6的情形仅占总数的0.6%，但仍优于1×10−5；相对差异的中位值小于1×10−10；98.2%的情形，相对差异小于1×10−7；开启全部真实物理模型时，最大相对差异不超过千万分之一（如表1所示）。
4）暂态特性计算及应用
以非对称及逆阻IGCT为例，仿真标准测试回路中的IGCT器件单次开通、关断过程。自研仿真工具与垄断商软的暂态计算结果高度一致（如图4所示）。
(b) 关断波形放大
图4 非对称型IGCT的暂态波形对比
经过5年研发，形成了功率半导体器件二维仿真工具第一代版本。与垄断商软Synopsys TCAD Sentaurus Device计算结果的大量比对表明，自研仿真工具二维计算精度向国际垄断商业软件看齐。
三维仿真工具正紧锣密鼓地研发中。
庄池杰，博士，副教授。目前主要从事功率半导体器件数值仿真及国产软件研发工作。负责国家优秀青年基金项目、国家重点研究计划课题2项；在Nat. Commun.、J. Comput. Phys.等杂志发表SCI论文60余篇。
石清元, 博士研究生，目前主要从事功率半导体器件的物理建模、数值仿真和优化设计。负责国家自然科学基金青年学生基础研究项目(博士研究生)1项；在IEEE T POWER ELECTR等杂志发表SCI论文5篇。
曾嵘, 博士，教授，目前主要研究方向为交直流电力系统功率器件与关键装备。曾主持国家杰出青年基金项目、企业联合基金集成项目，以及国家重点研发计划项目等；获国家技术发明二等奖及中国电力科学技术杰出贡献奖等。
团 队 介 绍
直流研究中心依托清华大学电机系，结合清华大学能源互联网创新研究院和清华四川能源互联网研究院，组建了兼具高水平学术研究、前瞻性技术创新、实用化产业发展的研究团队。
2022年，作为首批团队，入驻怀柔实验室(能源领域国家级新型科研机构)。中心研发工作也是“新型电力系统运行与控制”全国重点实验室的重要组成部分。
秉持“器件—装备—系统”贯通式研发理念，系统开展高压大容量功率半导体器件IGCT-Plus、高中低压系列化直流变换及开断装备、直流系统规划设计的创新研发、示范工程应用和标准化建设等工作。