GaN HEMT器件的模型分析及振荡抑制研究

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氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)器件由于开关频率高、开关损耗低、开关速度快等优势而被广泛应用于消费电子、航空航天、5G通讯等领域。然而,在上述应用中可能出现严重的开关振荡问题,这将威胁系统的安全可靠运行。目前仅有一些定性的振荡抑制方法,难以保证振荡抑制效果。针对上述问题,本文从GaN HEMT器件的分析模型入手,在明确振荡产生机理及负面影响的基础上,对振荡抑制方法开展了系统的研究,实现了定量抑制,确保了振荡抑制效果。(1)在GaN HEMT器件的分析模型方面,本文通过曲线拟合、参数提取确定了所有寄生参数,首次建立了包括反向导通模型在内的GaN HEMT器件开通和关断暂态的等效电路模型,并通过状态方程数值求解得到了GaN HEMT器件准确的开关分析模型。仿真及实验结果表明在开通及关断暂态过程中,根据分析模型得到的开关漏源电压与漏极电流波形与仿真和实验结果较为吻合。准确的开关分析模型一方面可用于损耗分析并探究不同电路参数变化对开关特性和开关损耗的影响,从而达到提高变换效率的目的,另一方面也为建立开关高频振荡模型,进而实现有效抑制奠定了基础。(2)在GaN HEMT器件栅源电压误触发振荡方面,由于器件关断后高的dv/dt和di/dt,其栅源电压在一定条件下会持续超过阈值电压,如不进行有效抑制会造成额外的功率损耗甚至器件损坏等严重后果。为此,本文建立了GaN HEMT器件的误触发振荡高频等效模型,提出在栅源极之间增加无源缓冲电路进行抑制,通过系统极点根轨迹分析定量刻画了无源缓冲电路参数的设计区域,实现了误触发振荡的较好抑制。仿真及实验结果表明:在所确定的设计区域内,可确保系统阻尼比大于0.4,较设计区域外具有更短的振荡持续时间和更小的振幅,证明了所刻画设计区域的准确性。上述无源缓冲电路定量设计方法弥补了现有方法只能应用于三阶及以下系统的不足,为高阶系统的振荡抑制提供了解决思路。(3)在GaN HEMT器件漏源电压持续振荡方面,由于GaN HEMT器件不同于Si及Si C器件的反向导通特性,在栅源电压不超过阈值电压的情况下,其漏源电压在一定条件下会发生持续振荡,进而造成严重的电压和电流过冲、电磁干扰等负面影响。为此,本文建立了GaN HEMT器件的持续振荡高频等效模型,提出在漏源极之间增加无源缓冲电路进行抑制,通过对特征方程和零点方程进行根轨迹分析,采用偶极子消除方法消除了其中一对主导极点的影响,定量刻画出了无源缓冲电路参数的设计区域,实现了持续振荡的较好抑制和完全抑制,还探究了无源缓冲电路对开关速度及开关损耗的影响规律。仿真及实验结果表明:在所确定的较好设计区域内,可确保系统阻尼比大于0.4,实现了振荡的较好抑制,而在完全抑制区域内,可确保系统阻尼比等于1,完全消除了持续振荡,而且通过在设计区域内合理选择无源缓冲电路参数的大小,几乎不会影响开关速度及开关损耗。上述结合极点根轨迹特点并通过偶极子消除主导极点影响的分析及设计思路对高阶系统的振荡抑制有很好的启发性。(4)基于上述对GaN HEMT器件分析模型和振荡抑制方面的研究工作,结合现有文献,期望在宽禁带器件开关振荡方面形成全面而深刻的认识,并为实际工程应用中的振荡抑制提供参考。为此,本文对宽禁带器件可能出现的开关振荡类型以及这些振荡的产生机理、可能造成的负面效应、不同寄生参数对开关振荡的影响规律进行了全面和系统的分析。在此基础上,对现有振荡抑制方法进行了定性的比较分析,结果表明:基于提出的无源缓冲电路的振荡定量抑制方法实现简单、成本低廉、且能保证振荡抑制效果,因此具有很好的工程实用价值。
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