GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN HEMT器件适用的高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法。根据器件开关过程中不同时段电学参数状态，具体分为开通、关断、开启变换和关断变换四个阶段计算损耗。建模过程中，考虑了器件特有的高频工作下动态阻抗增大的问题，并通过搭建电路，实现器件高频工作时影响动态导通阻抗变化的参数准确提取；建模过程中，本发明专利技术采用栅电荷替代器件输出电容直接计算损耗的方法，避免了电容容值随电压变化造成的复杂、不精确计算。此外，发明专利技术首次通过在器件外部的漏极和源极之间并联外部电容，来比较器件漏极电流与实际沟道电流的差异，分析差异产生的具体来源和对开关损耗的真实影响，以此实现了模型的损耗计算的修正。

【技术实现步骤摘要】
GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法
本专利技术涉及一种GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序测量方法。
技术介绍
AlGaN/GaNHEMT器件是继硅基和碳化硅基MOSFET之后的全新一代宽禁带半导体器件，拥有硅基无可比拟的优越性能，相比碳化硅基成本也更低。由于AlGaN、GaN材料具备宽禁带、极化效应和导带不连续性等特点，使得制备得到的AlGaN/GaNHEMT器件是具有高频、高耐压、大电流、高耐温、强抗干扰等优越电气性能的场效应晶体管。特别的，HEMT器件层间材料禁带宽、介电常数高，从而可以将结电容控制到非常低的水平，AlGaN/GaNHEMT器件的输入电容(Ciss)、输出电容(Coss)和反馈电容(Crss)通常分别在数十pF、数十pF、数pF量级，远低于硅基和碳化硅基MOSFET的上千pF、上百pF、上百pF量级，因而HEMT在高频性能方面表现卓越，在高频应用(包括数MHz的开关电源)方面有着远大的前景。正因如此，针对GaNHEMT器件动态性能研究，并建立起HEMT器件动态功率损耗模型，对HEMT器件的高频实际应用有重要的指导作用。然而，不同与硅基或碳化硅材料的功率电力电子器件，在动态开关工作时，GaNHEMT器件相比传统Si/SiC器件有着独特的动态电学特性，在开关工作中主要体现在：GaNHEMT器件没有反向恢复的特性；其在开关回路中的寄生电容和寄生电感数值更小；器件在开关过程中寄生参数随工作电压和工作电流变化呈现非线性的改变，并且还伴随动态阻抗增加等问题。正因如此，直接套用Si或SiC的功率电力电子器件的动态损耗模型，是无法准确表征和计算GaNHEMT器件的动态开关损耗的。因而，需要结合HEMT器件实际的高频动态工作特性，在传统Si或SiC的功率电力电子器件的基础上，进一步改进，建立GaNHEMT器件适用的动态损耗时序模型，对GaNHEMT器件的高频应用非常有现实意义。目前，针对硅基或碳化硅材料的功率电力电子器件，传统动态开关损耗的计算方案主要有两种。一种，是用示波器实时抓取器件开关时的电压电流波形直接计算得到功率损耗；另外一种，是封闭式量热的方法，即在一个封闭式容器下测量由开关损耗带来的热量损失。显然，针对高频应用的GaNHEMT器件，这些方法存在着测量结果不准确，步骤繁琐，耗费时间，成本高昂等问题，不符合实际应用需求。为了解决这个问题，针对硅基或碳化硅材料的功率电力电子器件，提出了相对准确、包含更多电力电子器件开关细节的分段式模型，并有将此类开关损耗Psw分段式时序模型直接应用到GaNHEMT上。在这个模型中，Ids，Idson_rms和Irr分别是测试得到的器件漏极电流，器件开通状态的漏极电流均方根值和器件的反向恢复电流；Vds，Vgs分别为器件漏极电压、栅极电压；fs为器件的开关工作频率；ton，toff和trr分别为器件开启、器件关断和器件反向恢复的时间；Coss为器件输出电容；Qg为器件的栅电荷；kth和kf分别为：与器件的导通阻抗及反向电流相关的温度系数。此模型多项式中，第一项表征的是器件开关过程中漏极电流Ids和漏极电压Vds的交越损耗；第二项表征的是器件在开通变换过程中，器件的输出电容Coss带来的能量损耗；第三项和第四项分别表征的是器件的导通损耗和驱动损耗；第五项表征的的是器件自身的体二极管引发的反向恢复带来的损耗。然而，在高频动态特性方面，GaNHEMT器件相比传统Si/SiC电力电子器件有着独特的电学特性，主要体现在：GaNHEMT器件没有反向恢复的特性；其在开关回路中的寄生电容和寄生电感数值更小；器件在开关过程中寄生参数随工作电压和工作电流变化呈现非线性的改变，并且还伴随由俘获效应造成动态阻抗增加等问题。因此，对针对GaNHEMT器件来说，直接套用Si或SiC的功率电力电子器件的动态损耗模型，是无法准确表征和计算其动态开关损耗的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法，其步骤包括：(1)测量并计算在在HEMT器件开关过程中，HEMT器件处在关断状态时，高漏极电压下的HEMT器件关断损耗Poff；(2)测量并计算在HEMT器件完全开通后，HEMT器件处在饱和状态时，HEMT器件的开通损耗Pcon；(3)测量并计算HEMT器件处于从关断到开通之间的开启变换状态时，HEMT器件的开启变换损耗Pturn_on；(4)测量并计算HEMT器件处于从开通到关断之间的关断变换状态时，HEMT器件的关断变换损耗Pturn_off；(5)计算GaNHEMT器件总的的高频动态损耗Ptotal：Ptotal＝Poff+Pcon+Pturn_on+Pturn_off；建模过程中，采用器件高频工作时影响动态导通阻抗变化的参数来计算开通损耗Pcon。在计算HEMT器件的开启变换损耗Pturn_on的过程中，通过采用栅电荷Qg的电容表征形式Cgd_vf，来替代HEMT器件的输出电容COSS。作为优选的技术方案，步骤(1)中，在HEMT器件开关过程中，在t0-t1、t11-t12和t10-t11时间段，HEMT器件处在关断状态。其中，在t0-t1、t11-t12时间段，漏极电压Vds处于高压状态，在高压下器件会产生漏电流，造成损耗Poff_n。其中fs、T、D、Ilk分别为HEMT器件开关工作频率、工作周期、占空比、关断时器件漏电流在t10-t11时间段，器件已经关断了，但是在输出电容Coss和杂散电感Lstray之间的共振还是会带来波形的振荡。因此，漏极电压波形的振荡还会带来一部分损耗，这部分损耗和器件的漏极电压的波动峰值时相关的。假定续流二极管的反向恢复为0，得到此阶段的损耗Poff_vx为：其中Ir为反向电流，△V为器件在此阶段的振荡电压，Vds_pk为漏极电压峰值，Vds_off为漏极电压关断时数值；因此，在器件关断期间，器件的损耗模型Poff为：Poff＝Poff_n+Poff_vx。步骤(2)中，在HEMT器件开关过程中，在t4-t7时间段，HEMT器件处在开通状态，此时，通过器件的电流的有效值Idrain_rms为：为了有效表征HEMT器件在动态开关工作状态下动态阻抗的增加对损耗的影响，在传统Si/SiC器件开关损耗模型基础上，本专利技术将器件开通工作状态模型修正为：Pcon＝Idrain_rms2Rdson_DCkdvkdfkddkth_Rkcu其中，kdv、kdf、kdd、kcu、kth_R分别为该阶段的电压、频率、占空比、电流和温度的线性系数，Idrain_rms为通过器件的漏极电流的有效值，Rdson_DC为器件的开通状态下的导通阻抗。步骤(3)中，在器件开启状变换过程中，器件漏极电压和漏电流的交越带来损耗，同时器件输出电容也会带来的损耗。根据栅极电压Vgs、漏极电压Vds、漏极电流Ids三个电学参数具体变化特点，将HEMT器件从关断到开通之间的开启变换状态分为三个时间段，具体为t1-t2、t2-t3和t3-t4三个时段。第一时间段为HEMT器件从关断到初步开通，记为t1-t2阶段，漏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN HEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法，其步骤包括：(1)测量并计算在在HEMT器件开关过程中，HEMT器件处在关断状态时，高漏极电压下的HEMT器件关断损耗Poff；(2)测量并计算在HEMT器件完全开通后，HEMT器件处在饱和状态时，HEMT器件的开通损耗Pcon；(3)测量并计算HEMT器件处于从关断到开通之间的开启变换状态时，HEMT器件的开启变换损耗Pturn_on；(4)测量并计算HEMT器件处于从开通到关断之间的关断变换状态时，HEMT器件的关断变换损耗Pturn_off；(5)计算GaN HEMT器件总的的高频动态损耗Ptotal：Ptotal＝Poff+Pcon+Pturn_on+Pturn_off其特征在于：建模过程中，采用器件高频工作时影响动态导通阻抗变化的参数来计算开通损耗Pcon。

【技术特征摘要】
1.一种GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法，其步骤包括：(1)测量并计算在在HEMT器件开关过程中，HEMT器件处在关断状态时，高漏极电压下的HEMT器件关断损耗Poff；(2)测量并计算在HEMT器件完全开通后，HEMT器件处在饱和状态时，HEMT器件的开通损耗Pcon；(3)测量并计算HEMT器件处于从关断到开通之间的开启变换状态时，HEMT器件的开启变换损耗Pturn_on；(4)测量并计算HEMT器件处于从开通到关断之间的关断变换状态时，HEMT器件的关断变换损耗Pturn_off；(5)计算GaNHEMT器件总的的高频动态损耗Ptotal：Ptotal＝Poff+Pcon+Pturn_on+Pturn_off其特征在于：建模过程中，采用器件高频工作时影响动态导通阻抗变化的参数来计算开通损耗Pcon。2.根据权利要求1所述的GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法，其特征在于：步骤(2)中器件处在开通状态，该阶段记为t4-t7时间段，此时间段内通过器件的电流的有效值Idrain_rms为：器件的开通损耗Pcon为：Pcon＝Idrain_rms2Rdson_DCkdvkdfkddkth_Rkcu；上式中kdv、kdf、kdd、kcu、kth_R分别为该阶段的电压、频率、占空比、电流和温度的线性系数，Idrain_rms为通过器件的电流的有效值，Rdson_DC为器件的开通状态下的导通阻抗。3.根据权利要求2所述的GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法，其特征在于：所述kdv、kdf、kdd、kcu、kth_R分别通过动态阻抗提取电路提取。4.根据权利要求1-3中任一项所述的GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法，其特征在于：在计算HEMT器件的开启变换损耗Pturn_on的过程中，通过采用栅电荷Qg的电容表征形式Cgd_vf，来替代HEMT器件的输出电容Coss。5.根据权利要求4所述的GaNHEMT器件高频动态损耗的非线性分段时序模型建立方法，其特征在于：步骤(3)中将HEMT器件从关断到开通之间的开启变换状态分为三个时间段；第一时间段为HEMT器件从关断到初步开通，记为t1-t2阶段，漏极电流Ids处于线性上升的状态，由t1时间点的0升至t2时间点的起始电流Ista，同时漏极电压Vds由于寄生电感在di/dt影响下，下降到t2的电压Vr水平，该时间段的器件开启变换损耗Pturn_on_cr计算方式为：式中，Rturn_on_cr为开启变换状态中器件通阻，△Vds为漏极电压在该状态中的变化量，△Ichannel为沟道电流在该状态中的变化量，kdv、kdf、kdd、kcu、kth_R分别为该阶段的电压、频率、占空比、电流和温度的线性系数，Leff_Gate和Weff_Gate分别为有效沟道长度和宽度，μs为氮化镓电子迁移率，Cgs为器件栅源电容，Ista为起始的漏极电流，Vdrive_H为器件开通时栅极驱动电压，Ls是器件源极端和地之间的串联电感，Vth为器件栅极阈值电压，gm为器件的跨导值，Vmr为器件开通时的密勒平台电压，fs为器件工作频率，Klag是器件栅极开通延迟的拟合系数，通过测量器件在不同关断电压、工作频率和占空比下的开通时延得到的，t1-t2代表t1时间点到t2时间点的长度，Rg_on为栅极驱动的上拉电阻。第二时间段为器件进一步开启阶段，记为t2-t3阶段，通过电感负载流经器件的电流进一步增加，随着器件输出电容Coss的放电，漏极电压下降幅度变化很大，由高压状态下降到器件栅极阈值开启电压，同时电路中的杂散电感Lstray和输出电容Coss共振，漏极电流Ids产生振荡。漏极电压Vds下降幅度变化大于第一时间段，该时间段内采用栅漏电荷Qgd替代电容Coss得到新的电容表征形式Cgd_vf的方法来计算损耗，该时间段内器件电容Cgd_vf计算方式、时间段t2-t3长度、该时间段内的平均沟道电流Ivf和损耗Pturn_on_vf的计算方法分别为：其中，△V为该阶段中栅极电压的变化量，Vr为此阶段栅极电压参考值，Lstray为电路中的杂散电感，Cstray为电路中的杂散电容，为平均沟道电流，Qgd为栅漏电荷，Rdson为器件的导通阻抗，Rg_on为栅极驱动的上拉电阻；第三时间段记为t3-t4阶段，漏极电压Vds降低到阈值电压Vth以下，器件进入线性区，栅极电压维持在米勒平台电压Vmr状态，此时间段的持续时间、该阶段内器件的开通电压Von_r和损耗Pturn_on_mr分别为：Von_r＝IstaRdsonkdvkdfkddkth_R基于阶段三中各个时间段的开通过程损耗计算，得到测量下总的开通状态期间的损耗为各个部分之和：Pturn_on(measured)＝Pturn_on_cr+Pturn_on_vf+Pturn_on_mr。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敦军，王蕊，雷建明，张荣，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32