← 返回
电动汽车驱动 GaN器件 ★ 4.0

高功率器件中端电容的建模与分析:以p-GaN栅极HEMT为例

Modeling and Analysis of Terminal Capacitances in High-Power Devices: Application to p-GaN Gate HEMTs

作者 Mojtaba Alaei · Herbert De Pauw · Elena Fabris · Stefaan Decoutere · Jan Doutreloigne · Johan Lauwaert
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年8月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 氮化镓高电子迁移率晶体管 终端电容 漏源电压 二维电子气 紧凑模型
语言:

中文摘要

来自硅基氮化镓(GaN)p - GaN 栅极高电子迁移率晶体管(HEMT)的实验数据表明,终端电容(尤其是 \(C_{\mathrm{BS}}\)、\(C_{\mathrm{BG}}\) 和 \(C_{\mathrm{BD}}\))与漏源电压(\(V_{\mathrm{DS}}\))密切相关,这表明通过体接触存在显著的耦合。这种与场板下二维电子气(2DEG)逐渐耗尽相关的行为,现有紧凑模型无法充分描述。本文详细分析了场板下与 \(V_{\text {DS }}\) 相关的耗尽动态,并开发了一种增强型麻省理工学院虚拟源氮化镓场效应晶体管(MVSG)紧凑模型,该模型纳入了与体相关的电容贡献。所提出的模型引入了与耗尽相关的沟道电容和边缘电容调制,并考虑了随着 \(V_{\text {DS }}\) 增加,2DEG 逐渐耗尽导致的沟道长度调制(CLM)效应。扩展后的模型与测量的电容特性表现出极好的一致性,并能更深入地理解衬底相互作用机制。这一进展有助于下一代高压氮化镓功率集成电路(如集成半桥和栅极驱动器)的设计,可在包含衬底效应的仿真中准确预测终端电容。

English Abstract

Experimental data from gallium nitride (GaN)-on-Si p-GaN gate high-electron-mobility transistors (HEMTs) reveal a strong dependence of terminal capacitances-particularly C_BS, C_BG , and C_BD -on the drain-to-source voltage ( V_DS ), indicating significant coupling through the bulk contact. This behavior, linked to progressive depletion of the 2-D electron gas (2DEG) under field plates, is not adequately captured by existing compact models. This work presents a detailed analysis of the dynamics of V_ DS -dependent depletion under field plates and develops an enhanced MIT Virtual Source GaN FET (MVSG) compact model that incorporates bulk-related capacitance contributions. The proposed model introduces a depletion-dependent modulation of channel and fringing capacitances and captures channel length modulation (CLM) effects due to progressive depletion of 2DEG with increasing V_ DS . The extended model shows excellent agreement with the measured capacitance behavior and provides a deeper understanding of the substrate interaction mechanisms. This advancement supports the design of next-generation high-voltage GaN power ICs, such as integrated half-bridges and gate drivers, by enabling accurate prediction of terminal capacitances in simulations that include substrate effects.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务角度来看,这项关于p-GaN栅极HEMT器件终端电容建模的研究具有重要的战略价值。作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,阳光电源在高功率密度、高效率的功率转换系统开发中,GaN功率器件正逐步成为替代传统硅基器件的关键技术路径。

该研究针对p-GaN栅极HEMT器件中体电容(CBS、CBG、CBD)随漏源电压VDS变化的非线性特性,提出了改进的MVSG紧凑模型。这一建模突破对阳光电源具有多重价值:首先,在光伏逆变器和储能变流器设计中,精确的电容模型直接影响开关损耗计算、EMI预测和热管理设计的准确性,这对提升系统效率和可靠性至关重要;其次,该模型考虑了场板下二维电子气的渐进耗尽效应和沟道长度调制效应,能够更准确地预测高压GaN功率集成电路(如集成半桥和驱动电路)的动态行为,这正契合阳光电源在高度集成化功率模块方面的技术演进方向。

从技术成熟度评估,该研究基于实验数据验证,已形成可用的仿真模型,属于技术就绪度TRL 4-5级别,距离产品化应用尚需工程验证。对阳光电源而言,主要机遇在于:通过采用该精确模型,可缩短GaN器件应用的设计迭代周期,加速1200V及以上电压等级GaN方案在组串式逆变器和储能PCS中的导入。

潜在挑战包括模型参数提取的复杂度、与现有设计流程的集成,以及需要与GaN器件供应商建立深度合作以获取详细的器件物理参数。建议阳光电源关注该技术方向,并评估在先进功率电子平台开发中的应用可行性。