← 返回
基于衬底电容耦合模型的浮空衬底p-GaN HEMT动态性能分析
Dynamic Performance Analysis of p-GaN HEMTs With Floating Substrates by Substrate Capacitance Coupling Model
| 作者 | Wenyao Feng · Lingyan Shen · Xuetong Zhou · Yufei Tian · Hang Su · Yunheng Hu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | p-GaN HEMT 浮动衬底 动态特性 阈值电压漂移 导通电阻退化 |
语言:
中文摘要
对具有浮动衬底的 p - 氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）组件的动态特性进行了全面而深入的评估，并与传统应用中具有源极连接衬底的器件进行了对比。深入分析表明，两种器件具有相似的退化模式，但在瞬态应力下动态性能的恶化程度不同。实验结果显示，在 200 V 的 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {DS,off}}$ </tex - math></inline - formula> 应力下，具有浮动衬底的器件的 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex - math></inline - formula> 漂移为 2.6 V，导通电阻 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${R}_{\text {on}}$ </tex - math></inline - formula> 退化 30%，而具有源极连接衬底的器件的 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex - math></inline - formula> 漂移为 1.15 V，导通电阻 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${R}_{\text {on}}$ </tex - math></inline - formula> 退化 7%。针对浮动衬底提出的电容耦合模型解释了其不佳的动态性能。在关态应力期间，由电容电荷不平衡引起的负衬底电压是影响器件性能的关键因素。了解空穴和电子捕获的顺序以及动态电阻的变化，对于充分发挥具有浮动衬底的 p - GaN HEMT 的优势至关重要。
English Abstract
A comprehensive and in-depth evaluation of the dynamic characteristics of p-GaN high-electron-mobility transistor (HEMT) components featuring a floating substrate is carried out, contrasting with devices having a source-connected substrate in traditional applications. A thorough analysis reveals similar degradation patterns of both devices but varying degrees of dynamic performance deterioration under transient stress. Experimental results show that under 200-V V_ DS,off stress, devices with floating substrates experience a V_ TH shift of 2.6 V and R_ on degradation of 30%, while those with source-connected substrates exhibit a V_ TH shift of 1.15 V and R_ on degradation of 7%. A proposed capacitance coupling model specific to floating substrates explains the suboptimal dynamic performance. The negative substrate voltage, induced by capacitor charge imbalances during off-state stress, is a key factor affecting device performance. Understanding the sequence of hole and electron capture, along with dynamic resistance variations, is crucial for maximizing the advantages of p-GaN HEMTs with floating substrates.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于浮置衬底p-GaN HEMT器件动态特性的研究具有重要的技术参考价值。GaN功率器件是新一代光伏逆变器和储能变流器的核心开关元件，直接影响系统的功率密度、转换效率和可靠性。
该研究揭示了浮置衬底与源极连接衬底两种封装方案在动态性能上的显著差异。实验数据表明，在200V关断应力下，浮置衬底器件的阈值电压漂移达2.6V、导通电阻劣化30%，远超源极连接方案的1.15V和7%。这一发现对阳光电源的产品设计具有直接指导意义：在高压应力频繁切换的逆变器和储能PCS应用中，器件封装方案的选择将显著影响长期可靠性和效率保持率。
论文提出的电容耦合模型为理解浮置衬底器件的性能退化机制提供了理论基础。关断状态下电容充电不平衡导致的负衬底电压效应，会加剧电荷俘获并增加动态电阻，这在高频开关应用中尤为关键。对于阳光电源追求的98%以上系统效率目标，即使几个百分点的Ron劣化也会造成可观的能量损失。
从应用角度看，该研究指出了技术优化方向：通过优化衬底连接方案、改进封装设计或调整栅极驱动策略，可能在保持浮置衬底优势（如简化封装、降低成本）的同时改善动态性能。这为阳光电源在GaN器件选型、定制化开发以及系统级热管理和可靠性设计提供了重要参考，有助于在激烈的市场竞争中保持技术领先优势。