近日，中國科大微電子學院楊樹教授課題組在GaN HEMT開關(guān)瞬態(tài)建模研究中取得新進展。研究團隊提出了一種基于動態(tài)柵極電容特性的p-GaN柵HEMT開關(guān)瞬態(tài)分析模型，可精準預測GaN HEMT在高速高壓開關(guān)過程中的瞬態(tài)行為，相關(guān)成果以“An Efficient Switching Transient Analytical Model for P-GaN Gate HEMTs With Dynamic CG(VDS, VGS)”為題發(fā)表于電力電子領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Power Electronics。

GaN HEMT具備高開關(guān)頻率、低導通損耗能力，可實現(xiàn)高功率密度和高效率的電力電子變換器，在消費類電子、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車車載充電與激光雷達等領(lǐng)域中具有廣闊應用前景。然而極快的開關(guān)速度使得基于GaN器件的變換器存在開關(guān)振蕩問題，包括電壓、電流過沖和寄生開通等。開關(guān)瞬態(tài)分析模型可以在變換器設(shè)計階段提前預測開關(guān)波形，是避免開關(guān)振蕩的重要方案之一。而當前大多數(shù)開關(guān)分析模型難以兼顧使用的簡單性、分析過程的清晰性以及波形預測結(jié)果的準確性。同時，當前的模型大多基于靜態(tài)柵極電容特性，然而開關(guān)瞬態(tài)的精準建模還需要考慮VDS與VGS對動態(tài)柵極電容CG(VDS, VGS)的影響。

針對上述問題，課題組以p-GaN/AlGaN/GaN柵極結(jié)構(gòu)中電荷存儲為出發(fā)點，提出了一種基于高速開關(guān)過程中動態(tài)柵極電容CG(VDS, VGS)的開關(guān)瞬態(tài)分析模型。該模型具備電路模態(tài)分析能力與器件動態(tài)柵極電容行為模擬能力，并兼容SPICE模型。基于開關(guān)過程模態(tài)解析，揭示并分析驗證了電荷存儲以及米勒效應在開關(guān)瞬態(tài)的影響機制。在雙脈沖平臺的變電壓/變電流開關(guān)瞬態(tài)測試中，提出的動態(tài)柵極電容CG(VDS, VGS)模型相較于傳統(tǒng)靜態(tài)柵極電容CG(VDS)模型展現(xiàn)出了更高的波形仿真與開關(guān)損耗評估精度，相較于傳統(tǒng)靜態(tài)柵極電容CG(VDS)模型可將模型精度提升~20%，在多項開關(guān)瞬態(tài)特性指標的擬合精度中達到90%以上。進一步地，采用DC-DC Buck電路驗證了動態(tài)柵極電容CG(VDS, VGS)開關(guān)瞬態(tài)分析模型的準確性。綜上，本研究提出的基于動態(tài)柵極電容的GaN HEMT開關(guān)瞬態(tài)模型對于高速高壓開關(guān)暫態(tài)分析、損耗預測以及高頻功率變換器優(yōu)化設(shè)計具有重要價值。

圖1. (a) DPT測試平臺; (b) 開關(guān)瞬態(tài)等效電路模型; 400 V阻斷電壓下, GaN HEMT開關(guān)瞬態(tài)實測波形與使用考慮動態(tài)柵極電容特性模型的仿真波形: (c) 關(guān)斷瞬態(tài), (d) 開通瞬態(tài)。

中國科大微電子學院楊樹教授為論文通訊作者，博士生杜佳宏、課題組畢業(yè)生孫才恩和碩士生唐秋逸為論文共同第一作者，浙江大學吳新科教授與董澤政研究員為論文合作者。此項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、臺達電力電子科教發(fā)展計劃等項目的資助。

文章鏈接：10.1109/TPEL.2024.3465013