近日，中國科大微電子學(xué)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(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于動(dòng)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(zhǔn)預(yù)測(cè)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(dǎo)通損耗能力，可實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率的電力電子變換器，在消費(fèi)類電子、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車車載充電與激光雷達(dá)等領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)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(jì)階段提前預(yù)測(cè)開關(guān)波形，是避免開關(guān)振蕩的重要方案之一。而當(dāng)前大多數(shù)開關(guān)分析模型難以兼顧使用的簡(jiǎn)單性、分析過程的清晰性以及波形預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，當(dāng)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(zhǔn)建模還需要考慮VDS與VGS對(duì)動(dòng)態(tài)柵極電容CG(VDS, VGS)的影響。

針對(duì)上述問題，課題組以p-GaN/AlGaN/GaN柵極結(jié)構(gòu)中電荷存儲(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種基于高速開關(guān)過程中動(dòng)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(dòng)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(yàn)證了電荷存儲(chǔ)以及米勒效應(yīng)在開關(guān)瞬態(tài)的影響機(jī)制。在雙脈沖平臺(tái)的變電壓/變電流開關(guān)瞬態(tài)測(cè)試中，提出的動(dòng)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(píng)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(xiàng)開關(guān)瞬態(tài)特性指標(biāo)的擬合精度中達(dá)到90%以上。進(jìn)一步地，采用DC-DC Buck電路驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)柵極電容CG(VDS, VGS)開關(guān)瞬態(tài)分析模型的準(zhǔn)確性。綜上，本研究提出的基于動(dòng)態(tài)柵極電容的GaN HEMT開關(guān)瞬態(tài)模型對(duì)于高速高壓開關(guān)暫態(tài)分析、損耗預(yù)測(cè)以及高頻功率變換器優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。

圖1. (a) DPT測(cè)試平臺(tái); (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(shí)測(cè)波形與使用考慮動(dòng)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(xué)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(xué)吳新科教授與董澤政研究員為論文合作者。此項(xiàng)研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、臺(tái)達(dá)電力電子科教發(fā)展計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：10.1109/TPEL.2024.3465013