[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

说明书

本发明公开了一种GaN HEMT器件适用的高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法。根据器件开关过程中不同时段电学参数状态，具体分为开通、关断、开启变换和关断变换四个阶段计算损耗。建模过程中，考虑了器件特有的高频工作下动态阻抗增大的问题，并通过搭建电路，实现器件高频工作时影响动态导通阻抗变化的参数准确提取；建模过程中，本发明采用栅电荷替代器件输出电容直接计算损耗的方法，避免了电容容值随电压变化造成的复杂、不精确计算。此外，发明首次通过在器件外部的漏极和源极之间并联外部电容，来比较器件漏极电流与实际沟道电流的差异，分析差异产生的具体来源和对开关损耗的真实影响，以此实现了模型的损耗计算的修正。

技术领域

本发明涉及一种GaN HEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序测量方法。

背景技术

AlGaN/GaN HEMT器件是继硅基和碳化硅基MOSFET之后的全新一代宽禁带半导体器件，拥有硅基无可比拟的优越性能，相比碳化硅基成本也更低。由于AlGaN、GaN材料具备宽禁带、极化效应和导带不连续性等特点，使得制备得到的AlGaN/GaN HEMT器件是具有高频、高耐压、大电流、高耐温、强抗干扰等优越电气性能的场效应晶体管。特别的，HEMT器件层间材料禁带宽、介电常数高，从而可以将结电容控制到非常低的水平，AlGaN/GaN HEMT器件的输入电容(Ciss)、输出电容(Coss)和反馈电容(Crss)通常分别在数十pF、数十pF、数pF量级，远低于硅基和碳化硅基MOSFET的上千pF、上百pF、上百pF量级，因而HEMT在高频性能方面表现卓越，在高频应用(包括数MHz的开关电源)方面有着远大的前景。正因如此，针对GaN HEMT器件动态性能研究，并建立起HEMT器件动态功率损耗模型，对HEMT器件的高频实际应用有重要的指导作用。

然而，不同与硅基或碳化硅材料的功率电力电子器件，在动态开关工作时，GaNHEMT器件相比传统Si/SiC器件有着独特的动态电学特性，在开关工作中主要体现在：GaNHEMT器件没有反向恢复的特性；其在开关回路中的寄生电容和寄生电感数值更小；器件在开关过程中寄生参数随工作电压和工作电流变化呈现非线性的改变，并且还伴随动态阻抗增加等问题。

正因如此，直接套用Si或SiC的功率电力电子器件的动态损耗模型，是无法准确表征和计算GaN HEMT器件的动态开关损耗的。因而，需要结合HEMT器件实际的高频动态工作特性，在传统Si或SiC的功率电力电子器件的基础上，进一步改进，建立GaN HEMT器件适用的动态损耗时序模型，对GaN HEMT器件的高频应用非常有现实意义。

目前，针对硅基或碳化硅材料的功率电力电子器件，传统动态开关损耗的计算方案主要有两种。一种，是用示波器实时抓取器件开关时的电压电流波形直接计算得到功率损耗；另外一种，是封闭式量热的方法，即在一个封闭式容器下测量由开关损耗带来的热量损失。显然，针对高频应用的GaN HEMT器件，这些方法存在着测量结果不准确，步骤繁琐，耗费时间，成本高昂等问题，不符合实际应用需求。

为了解决这个问题，针对硅基或碳化硅材料的功率电力电子器件，提出了相对准确、包含更多电力电子器件开关细节的分段式模型，并有将此类开关损耗P_sw分段式时序模型直接应用到GaN HEMT上。

在这个模型中，I_ds，I_{dson_rms}和I_rr分别是测试得到的器件漏极电流，器件开通状态的漏极电流均方根值和器件的反向恢复电流；V_ds，V_gs分别为器件漏极电压、栅极电压；f_s为器件的开关工作频率；t_on，t_off和t_rr分别为器件开启、器件关断和器件反向恢复的时间；C_oss为器件输出电容；Q_g为器件的栅电荷；k_th和k_f分别为：与器件的导通阻抗及反向电流相关的温度系数。