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

GaN HEMT具備高開關頻率、低導通損耗能力，可實現高功率密度和高效率的電力電子變換器，在消費類電子、數據中心、新能源汽車車載充電與激光雷達等領域中具有廣闊應用前景。然而極快的開關速度使得基于GaN器件的變換器存在開關振蕩問題，包括電壓、電流過沖和寄生開通等。開關瞬態分析模型可以在變換器設計階段提前預測開關波形，是避免開關振蕩的重要方案之一。而當前大多數開關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果的準確性。同時，當前的模型大多基于靜態柵極電容特性，然而開關瞬態的精準建模還需要考慮VDS與VGS對動態柵極電容CG(VDS, VGS)的影響。

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

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

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計劃、國家自然科學基金、臺達電力電子科教發展計劃等項目的資助。

文章鏈接：10.1109/TPEL.2024.3465013