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基于物理的斜角场板GaN HEMT SPICE模型
Physics-Based SPICE Model of Slant Field Plate GaN HEMTs
| 作者 | Md Hasnain Ansari · Avinash Lahgere · Sheikh Aamir Ahsan · Yogesh Singh Chauhan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN HEMT 斜场板 ASM - HEMT框架 建模方法 模型验证 |
语言:
中文摘要
本文介绍了一种基于ASM - HEMT框架实现的、适用于带有倾斜场板(FP)的氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的SPICE兼容紧凑模型。倾斜场板的几何形状对于优化电场分布和击穿性能至关重要,该模型将其近似为多级栅场板结构。研究表明,使用普通栅场板的传统高电子迁移率晶体管模型无法准确描述这些器件的电容特性。为克服这一局限性,在ASM - HEMT框架内开发了一种新的建模方法。该方法在保证计算效率的同时,确保了对器件行为的准确模拟。通过与TCAD仿真和实验数据进行验证,该模型在脉冲电流 - 电压(I–V)、电容 - 电压(C–V)以及大信号射频负载牵引特性等方面均表现出高度一致性。
English Abstract
This article introduces a SPICE-compatible compact model for GaN HEMTs with slant field plates (FPs), implemented using the ASM-HEMT framework. The slant FP geometry, critical for optimizing electric field distribution and breakdown performance, is approximated as a multistep gate FP structure. It is shown that conventional HEMT models using normal gate FPs fail to accurately capture the capacitance behavior of these devices. To address this limitation, a new modeling methodology is developed within the ASM-HEMT framework. This approach ensures accurate simulation of device behavior while maintaining computational efficiency. Validated against TCAD simulations and experimental data, the model demonstrates strong agreement across pulsed I–V, C–V, and large-signal RF load–pull characteristics.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对斜场板GaN HEMT器件的SPICE物理模型研究具有重要的战略价值。GaN功率器件凭借其高频、高效、高功率密度特性,正成为光伏逆变器和储能变流器等核心产品的关键技术方向。
该模型的核心创新在于准确刻画斜场板结构对器件电容特性和击穿性能的影响。对于阳光电源而言,这意味着在产品设计阶段能够更精确地预测GaN器件在实际工况下的开关损耗、电磁干扰和热管理表现。特别是在大功率组串式逆变器和储能PCS系统中,准确的器件建模直接关系到系统效率优化、谐波抑制和可靠性设计。模型通过ASM-HEMT框架实现的计算效率优势,能够显著加速我们的电路仿真和系统级优化流程,缩短产品开发周期。
从技术成熟度评估,该模型已通过TCAD仿真和实验数据的多维度验证,包括脉冲I-V、C-V特性及射频大信号特性,表明其已具备工程应用基础。然而,将学术模型转化为实际产品设计工具仍面临挑战:需要建立涵盖不同工艺节点的模型参数库,验证其在宽温度范围和长期可靠性场景下的准确性,并与我们现有的仿真平台实现无缝集成。
机遇方面,该技术可支撑阳光电源在下一代高频化、高功率密度逆变器产品上的技术领先性,特别是在1500V系统和储能快速响应应用中。建议与GaN器件供应商及学术机构建立联合开发机制,将先进建模能力转化为差异化竞争优势,推动功率变换技术向更高性能边界演进。