[发明专利]GaN HEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法

权利要求书

1.一种GaN HEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法，其步骤包括：

(1)测量并计算在在HEMT器件开关过程中，HEMT器件处在关断状态时，高漏极电压下的HEMT器件关断损耗P_off；

(2)测量并计算在HEMT器件完全开通后，HEMT器件处在饱和状态时，HEMT器件的开通损耗P_con；

(3)测量并计算HEMT器件处于从关断到开通之间的开启变换状态时，HEMT器件的开启变换损耗P_{turn_on}；

(4)测量并计算HEMT器件处于从开通到关断之间的关断变换状态时，HEMT器件的关断变换损耗P_{turn_off}；

(5)计算GaN HEMT器件总的的高频动态损耗P_total：

P_total＝P_off+P_con+P_{turn_on}+P_{turn_off}

其特征在于：建模过程中，采用器件高频工作时影响动态导通阻抗变化的参数来计算开通损耗P_con；

其中，步骤(2)具体为：步骤(2)中器件处在开通状态，该阶段记为t₄-t₇时间段，此时间段内通过器件的电流的有效值I_{drain_rms}为：

器件的开通损耗P_con为：

P_con＝I_{drain_rms}²R_{dson_DC}k_dvk_dfk_ddk_{th_R}k_cu；

上式中k_dv、k_df、k_dd、k_cu、k_{th_R}分别为该阶段的电压、频率、占空比、电流和温度的线性系数，I_{drain_rms}为通过器件的电流的有效值，R_{dson_DC}为器件的开通状态下的导通阻抗，f_s为HEMT器件开关工作频率，I_ds为测试得到的器件漏极电流；

步骤(3)具体为：步骤(3)中将HEMT器件从关断到开通之间的开启变换状态分为三个时间段；

第一时间段为HEMT器件从关断到初步开通，记为t₁-t₂阶段，漏极电流I_ds处于线性上升的状态，由t₁时间点的0升至t₂时间点的起始电流I_sta，同时漏极电压V_ds由于寄生电感在di/dt影响下，下降到t₂的电压V_r水平，该时间段的器件开启变换损耗P_{turn_on_cr}计算方式为：

式中，R_{turn_on_cr}为开启变换状态中器件通阻，△V_ds为漏极电压在该状态中的变化量，△I_channel为沟道电流在该状态中的变化量，k_dv、k_df、k_dd、k_cu、k_{th_R}分别为该阶段的电压、频率、占空比、电流和温度的线性系数，L_{eff_Gate}和W_{eff_Gate}分别为有效沟道长度和宽度，μ_s为氮化镓电子迁移率，C_gs为器件栅源电容，I_sta为起始的漏极电流，V_{drive_H}为器件开通时栅极驱动电压，L_s是器件源极端和地之间的串联电感，V_th为器件栅极阈值电压，g_m为器件的跨导值，V_mr为器件开通时的米勒平台电压，f_s为HEMT器件开关工作频率，K_lag是器件栅极开通延迟的拟合系数，通过测量器件在不同关断电压、工作频率和占空比下的开通时延得到的，t₁-t₂代表t₁时间点到t₂时间点的长度，R_{g_on}为栅极驱动的上拉电阻；

第二时间段为器件进一步开启阶段，记为t₂-t₃阶段，通过电感负载流经器件的电流进一步增加，随着器件输出电容C_oss的放电，漏极电压下降幅度变化很大，由高压状态下降到器件栅极阈值开启电压，同时电路中的杂散电感L_stray和输出电容C_oss共振，漏极电流I_ds产生振荡，漏极电压V_ds下降幅度变化大于第一时间段，该时间段内采用栅漏电荷Q_gd替代电容C_oss得到新的电容表征形式C_{gd_vf}的方法来计算损耗，该时间段内器件电容C_{gd_vf}计算方式、时间段t₂-t₃长度、该时间段内的平均沟道电流I_vf和损耗P_{turn_on_vf}的计算方法分别为：

其中，△V为该阶段中栅极电压的变化量，V_r为此阶段栅极电压参考值，L_stray为电路中的杂散电感，C_stray为电路中的杂散电容，为平均沟道电流，Q_gd为栅漏电荷，R_dson为器件的导通阻抗，R_{g_on}为栅极驱动的上拉电阻；

第三时间段记为t₃-t₄阶段，漏极电压V_ds降低到阈值电压V_th以下，器件进入线性区，栅极电压维持在米勒平台电压V_mr状态，此时间段的持续时间、该阶段内器件的开通电压V_{on_r}和损耗P_{turn_on_mr}分别为：

V_{on_r}＝I_staR_dsonk_dvk_dfk_ddk_{th_R}

基于阶段三中各个时间段的开通过程损耗计算，得到测量下总的开通状态期间的损耗为各个部分之和：

P_{turn_on(measured)}＝P_{turn_on_cr}+P_{turn_on_vf}+P_{turn_on_mr}。