Physics-Based Analytical Model for Input, Output, and Reverse Capacitance of a GaN HEMT With the Field-Plate Structure（TPE 17年）

摘要

该论文提出了一种分析模型，用于描述带有场板结构的常开型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在亚阈值区时的输入、输出及反向电容。此电容模型与现有的输出I-V特性模型相结合，提供了一整套解析方程，将器件的物理设计参数与其电气特性联系起来。该模型通过实验对HEMT的特性进行验证，并且相比于有限元分析（FEA）工具中实现的基于物理的模型，所获得的电容模型复杂度大幅降低，因此更适合于迭代设计优化算法的实施。

为了验证该模型在实际应用中的有效性，研究团队构建了一个高频降压转换器原型，其中使用了先前建模的GaN HEMT作为主开关。一个混合了分析和行为特性的高频降压转换器功率损耗模型被集成到Simplorer仿真工具中，利用提出的基于物理的模型来描述器件的电容部分。效率测量结果显示与仿真结果有良好的一致性，即使在低输出功率范围内的开关频率高达20MHz。

索引词包括：场板结构、GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）、HEMT设计优化、关态电容建模、基于物理的模型。

文章的研究内容

该文章的研究内容是提出一种针对带有场板结构的常开型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的输入、输出及反向电容的物理基础分析模型。该模型专注于当器件工作在亚阈值区域时的电容特性。通过结合已有的输出I-V特性模型，新提出的电容模型能够全面地建立起物理设计参数与器件电气特性之间的解析关系。文章中详细介绍了这个模型，并通过实验对HEMT进行了特性验证，显示出该模型的实用性。

研究还指出，相较于那些在有限元分析工具中实施的基于物理的模型，本文提出的电容模型在复杂性上有显著降低，这使得它更加适合应用于迭代设计优化算法中。为了进一步验证模型的有效性，研究团队设计并构建了一个使用之前建模过的GaN HEMT作为主要开关的高频降压转换器原型。在这个过程中，他们将一个结合了分析与行为特性的高频降压转换器功率损耗模型嵌入到了Simplorer仿真软件中，其中采用的就是提出的基于物理的模型来描述器件的电容特性。最后，效率测试的结果与仿真结果高度一致，即使在低输出功率下切换频率达到20 MHz时依然如此。

文章的贡献在于提供了一个完整且易于实施的模型，有助于设计者在高频电力电子转换器的设计阶段准确预测和优化GaN HEMT的电容行为，尤其是在考虑能效和动态响应的场景下。

文章的研究方法

文章采用的研究方法是建立了一个分析模型，用于计算具有场板结构的氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）在亚阈值工作条件下的输入、输出以及反向电容。这项研究综合了现有输出I-V特性模型，形成一套完整的解析方程体系，关联了器件的物理设计参数与其电气性能。研究团队通过实验验证了这一电容模型，并将其与有限元分析（FEA）工具中复杂的物理模型进行了对比，表明新模型在复杂度上明显降低，更便于集成至迭代设计优化算法中。

为了进一步测试模型的实用价值，研究团队设计并制作了一个高频降压转换器原型，其中关键部件——GaN HEMT正是基于先前模型所描述的器件。他们还在Simplorer仿真工具中实现了包含该物理基础模型的混合分析-行为型高频降压转换器功率损耗模型，着重考虑了电容部分。效率测试数据与仿真预测结果呈现高度吻合，即便在低输出功率和高达20 MHz的开关频率条件下也不例外。

此外，参考文献中提及的研究方法还包括对二维电子气（2DEG）电荷密度的物理基础分析模型建立、电场分布的解析计算、以及边缘电容的分析模型等，这些都为GaN HEMT的设计优化提供了理论支持。文章中涉及的专家们在各自领域，如高频功率放大器、能量转换系统、电源供应系统、高效能量转换拓扑、半导体技术等方面有着丰富的研究成果，他们的研究经历和专业背景也丰富了文章的研究方法论基础。

文章的创新点

文章的创新点在于提出了一种新颖的分析模型，该模型专门针对带有场板结构的常开型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)，在亚阈值工作状态下，能够精确预测其输入、输出及反向电容特性。该模型的创新之处体现在几个方面：

1. 完整性：模型与现有的输出I-V特性模型相结合，形成了一个全面的解析方程组，首次直接关联了HEMT的物理设计参数与其电气性能，为设计者提供了一套完整的理论依据。

2. 简化复杂度：相比基于物理原理在有限元分析(FEA)工具中实现的模型，本模型在保持准确性的同时，大大降低了复杂度，这使得它更容易被整合进设计优化的迭代算法中，有利于快速而精准地进行器件设计和性能预测。

3. 实践验证：研究团队不仅通过实验验证了模型的准确性，还特别设计并制造了一个高频降压转换器原型，以先前模型化的GaN HEMT作为核心组件，进一步在实际应用中测试模型的有效性。通过在Simplorer仿真工具中实施的混合分析-行为模型，实现了电容部分的精确模拟，仿真与实测效率结果高度一致，特别是在20MHz高开关频率下的低功率输出范围。

4. 应用潜力：该模型的提出为GaN HEMT在高频功率转换器设计中的电容效应评估提供了一种快速且准确的方法，有助于加速高性能、高能效电力电子产品的开发，特别是在需要高频操作和低功耗的应用场合。

文章的创新不仅在于理论模型的提出，还在于其实用性和对现有设计流程的优化潜力，对推动GaN HEMT技术在电力电子领域的应用具有重要意义。

文章的结论

文章的结论是提出了一种全解析式的、基于物理的模型，用于预测带有场板结构的GaN HEMT在截止状态下的各种电容（输入、输出及反向电容）。该模型揭示了这些电容非线性特性的物理起源，并避免了使用二维泊松方程求解的有限元分析（FEA）工具，转而采用解析方法对Miller电容进行建模。具体而言，模型通过分别考虑垂直（沿通道方向）和横向（相对于通道）的电荷耗尽情况来实现。垂直耗尽通过控制金属-绝缘体-半导体（MIS）AlGaN/GaN结构中栅极到漏极电压下的二维电子气（2DEG）密度来模拟；而横向扩展则利用保形映射技术，并针对场板边缘进行了必要的调整。

实验验证表明，与测量值相比，该模型在栅极到漏极电荷量上的偏差为14.7%，并在7MHz开关频率下导致整体效率估计的最大差异为3%，这在实际应用中是可以接受的。相比使用恒定Cgd值的模型（最大偏差达10%），提出的非线性Cgd(Vds)模型在高频降压转换器的功率损耗估算中表现出了显著的优势，证明了其在精确损失估计中的必要性。

研究成功开发了一个简化且准确的物理基础模型，不仅加深了对GaN HEMT电容特性的理解，而且提供了适用于设计优化算法的实用工具，有助于在高频电力电子应用中实现器件性能的高效预测和优化。