← 返回
GaN功率器件在硬开关模式下动态Ron效应的经验模型评估与建立
Evaluation and Establishment of an Empirical Model for the Dynamic Ron Effect of GaN Power Device in Hard Switching Mode
| 作者 | Shaoyu Sun · Xu Du · Ling Xia · Wengang Wu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN HEMT器件 动态导通电阻效应 经验动态模型 栅漏电压应力 物理机制 |
语言:
中文摘要
近年来，氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）器件在电力应用中的迅速普及，使得传统的GaN静态SPICE模型由于动态导通电阻（$R_{on}$）效应，无法满足高压、高频电路设计的要求。本文评估了一款商用100 V肖特基型p - GaN HEMT在硬开关模式下的动态$R_{on}$效应，并提出了一个经验动态模型。脉冲测试结果表明，栅 - 漏电压应力是动态$R_{on}$效应的主要原因。器件的AlGaN势垒层和沟道处的峰值电场会导致阈值电压正向漂移和热电子效应。通过TCAD仿真验证了这两种导致动态$R_{on}$效应的物理机制。同时，我们计算了在不同工作条件下这两种物理机制对动态$R_{on}$的贡献。基于测试和分析结果，在器件的静态SPICE模型中添加了等效电路。所提出的经验模型能够很好地模拟该器件在硬开关模式下的动态$R_{on}$特性和开关行为。
English Abstract
In recent years, the rapid popularization of GaN HEMT devices in power applications has made the traditional GaN static SPICE model unable to meet the requirements of high-voltage and high-frequency circuit design, due to the dynamic on-resistance ( R _ on ) effect. In this article, we evaluate the dynamic R _ on effect of a commercial 100-V Schottky-type p-GaN HEMT in the hard switching mode and propose an empirical dynamic model. The pulse test results show that the gate-to-drain voltage stress is the main cause of the dynamic R _ on effect. The peak electric field located at the AlGaN barrier layer and channel of the device will cause threshold voltage positive shift and hot electron effect. These two physical mechanisms that cause the dynamic R _ on effect are verified by the TCAD simulation. Meanwhile, we calculated the contribution of the two physical mechanisms to the dynamic R _ on under different operation conditions. Based on the test and analysis results, the equivalent circuit is added to the static SPICE model of the device. The proposed empirical model could well simulate the dynamic R _ on characteristic and switching behavior of the device in hard switching mode.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务角度来看，该论文针对GaN HEMT器件动态导通电阻效应的研究具有重要的工程应用价值。当前，阳光电源在光伏逆变器和储能变流器产品中正积极推进第三代半导体的应用，以实现更高的功率密度和转换效率。然而，GaN器件在硬开关模式下的动态Ron效应一直是制约其在高压大功率场景应用的关键瓶颈。
该研究通过脉冲测试明确了栅漏电压应力是动态Ron效应的主要诱因，并通过TCAD仿真验证了阈值电压正漂移和热电子效应两种物理机制。这为阳光电源在产品设计阶段准确评估GaN器件的实际损耗提供了理论依据。传统静态SPICE模型无法反映器件在高频硬开关工况下的真实特性，导致仿真与实测存在显著偏差，影响热设计和可靠性评估的准确性。
论文提出的经验动态模型通过在静态SPICE模型中增加等效电路，能够有效模拟硬开关模式下的动态Ron特性和开关行为。这对阳光电源具有直接的应用价值：一是可提升高频光伏逆变器和储能PCS的电路仿真精度，缩短产品开发周期；二是有助于优化驱动策略和散热设计，提高系统可靠性；三是为100V级GaN器件在组串式逆变器DC/DC变换等应用场景的选型提供量化依据。
技术挑战在于该模型基于特定商用器件建立，需要针对不同厂家、不同电压等级的GaN器件进行参数提取和验证。建议阳光电源与GaN器件供应商建立联合实验室，系统性地建立器件动态特性数据库，并将该模型集成到内部电路设计平台，为新一代高效能源转换产品的开发提供核心技术支撑。