非分段GaNHEMT模型的建立方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种非分段ganhemt模型的建立方法。

背景技术：

硅基电力电子器件由于其材料特性的限制，已经逐渐无法满足如今电力电子领域对于半导体器件的高性能要求。基于此，以氮化镓(gan)为代表的宽禁带半导体材料应运而生，相比硅(si)器件，gan有更高的带宽、击穿电压和热导率，这些优异的特性使得氮化镓在高频率和高功率密度方面有着显著的优势。氮化镓高电子迁移率晶体管(ganhemt，ganhighelectronmobilitytransistor)作为最有发展前景的开关器件，目前已经有epc、transphorm、gansystems等厂家生产制造。在电力电子电路设计和开发过程中，需要对电路中开关器件的静态特性、动态特性以及功率损耗进行评估分析。同时半导体器件内部的寄生参数对电路的工作有很大影响，因此为了优化电路的设计过程，建立一个准确的ganhemt模型是非常必要的。

目前，针对于ganhemt进行的建模主要分为物理建模和等效电路建模。物理建模的优点在于模型比较准确，但是建模方法十分复杂，要求研究者对器件内部的物理结构十分了解，同时物理模型也不适用于电力电子电路仿真。相对于物理建模，等效电路建模方法在电力电子电路仿真中应用更为广泛。等效电路建模中，一种方法是以传统simosfet结构为基础的模型，这种模型的缺点在于没有考虑ganhemt的反向导通特性。另外，ganhemt的特性曲线和工作原理与simosfet不完全相同，只通过改变simosfet内部的参数，没有办法得到准确的模型。另一种方法是直接使用数学方程对静态沟道电流进行定义，这种方法建立的模型包含了正反向导通特性，但是相关技术中寄生电容拟合结果不理想。更重要的是，该模型在对静态特性定义时使用了分段方程，这可能会导致将ganhemt模型应用于电力电子电路仿真时出现不收敛的问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种非分段ganhemt模型的建立方法，该方法能够得到收敛性好和准确性高的非分段ganhemt模型，进而更好地应用于电力电子电路仿真，同时使得后续功率变换器的设计和分析更加便利和高效。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种非分段ganhemt模型的建立方法，包括以下步骤：获取电压控制电流源ids、栅漏电容cgd、栅源电容cgs和漏源电容cds；根据电压控制电流源ids得到所述非分段ganhemt模型的静态特性，并根据所述静态特性建立非分段静态特性模型；根据所述栅漏电容cgd、栅源电容cgs和漏源电容cds得到所述非分段ganhemt模型的动态特性，并根据所述动态特性建立非分段动态特性模型；根据所述非分段静态特性模型和非分段动态特性模型得到所述非分段ganhemt模型。

另外，根据本发明上述实施例的非分段ganhemt模型的建立方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述电压控制电流源ids由以栅源电压vgs为变量的转移特性方程、以漏源电压vds为变量的输出特性方程和以温度t为变量的温度特性方程组成。

在一些示例中，所述转移特性方程为：

其中，a1、b1和c1是与转移特性有关的待拟合参数。

在一些示例中，所述输出特性方程为：

其中，a2和a3是与输出特性有关的待拟合参数。

在一些示例中，正向导通时的所述电压控制电流源ids方程：

其中，k1、m1、n1、d1和e1是与栅源电压vgs有关的输出特性待拟合参数。

在一些示例中，所述ganhemt是近似对称的横向导电沟道，反向导通时的控制电压分别为栅漏电压vgd和源漏电压vsd，电压控制电流源isd方程与正向导通时基本相同。

在一些示例中，反向导通时的所述电压控制电流源ids方程：

其中，k2、b2和c2是与反向导通特性有关的待拟合参数。

在一些示例中，所述电压控制电流源ids考虑温度特性后的方程：

其中，

其中，l1、l2、h1和h2是与温度特性有关的待拟合参数。

在一些示例中，所述根据动态特性建立非分段动态特性模型，包括：用一个线性电容c0和一个随电压非线性变化的方程的乘积来表示非线性电容cgd，非线性电容cgd的微分环节通过线性电容c0来实现，随电压非线性变化的方程通过电压控制电压源egd来实现，以使线性电容c0上感应出随栅漏电压vgd变化的电流ic0，然后再通过电流控制电流源感应电压值为0v的直流电压源v0上的电流值，以得到等效非线性电容cgd的电流igd，其中，

其中，受控电流源igd和受控电压源egd存在微分关系，即：egd＝∫igddt，则igd和egd的方程为：

其中，s、p、q和r是与电容-电压特性有关的待拟合参数。

在一些示例中，还包括：提取模型参数，具体包括：根据预设的数据提取软件将datasheet中提供的曲线转换为数据；根据静态i-v特性曲线方程和动态c-v特性曲线方程和得到的所述数据在预设的曲线拟合软件中进行拟合；根据拟合结果对所述静态i-v特性曲线方程和动态c-v特性曲线方程进行相应的调整，以得到所述模型参数。

根据本发明实施例的非分段ganhemt模型的建立方法，使用非分段、光滑连续的方程描述ganhemt模型的静态特性和动态特性，能够得到收敛性好和准确性高的非分段ganhemt模型，进而更好地应用于电力电子仿真电路，同时使得后续功率变换器的设计和分析更加便利和高效。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的非分段ganhemt模型的建立方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的得到的非分段ganhemt模型的等效电路图；

图3是根据本发明一个实施例的ganhemt的内部结构图；

图4是根据本发明一个实施例的非线性电容建模电路原理图；

图5是根据本发明一个实施例的参数提取过程示意图；

图6是根据本发明一个具体实施例的正向输出特性仿真与datasheet对比图；

图7是根据本发明一个具体实施例的反向输出特性仿真与datasheet对比图；

图8是根据本发明一个具体实施例的25℃和125℃条件下正向转移特性仿真和datasheet对比图；

图9是根据本发明一个具体实施例的25℃和125℃条件下反向输出特性仿真和datasheet对比图；

图10(a)、图10(b)和图10(c)分别是根据本发明一个具体实施例的栅漏电容cgd、漏源电容cds和栅源电容cgs的仿真与datasheet对比图；

图11是根据本发明一个具体实施例的双脉冲仿真电路图；

图12是根据本发明一个具体实施例的双脉冲电路仿真波形图；

图13是根据本发明一个具体实施例的双脉冲电路实验波形图；

图14(a)和图14(b)分别是根据本发明一个具体实施例的开通过程和关断过程中电压波形的仿真结果与实验结果对比图；

图15(a)和图15(b)分别是根据本发明一个具体实施例的开通过程和关断过程中电流波形的仿真结果与实验结果对比图；

图16是根据本发明一个具体实施例的全桥dc-ac逆变电路拓扑示意图；

图17(a)和图17(b)是根据本发明一个具体实施例的非分段模型和常规分段模型的全桥dc-ac逆变电路仿真结果。

图18(a)和图18(b)是根据本发明一个具体实施例的非分段模型和常规分段模型的简化全桥dc-ac逆变电路仿真波形对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的非分段ganhemt模型的建立方法。

图1是根据本发明一个实施例的非分段ganhemt模型的建立方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤s1：获取电压控制电流源ids、栅漏电容cgd、栅源电容cgs和漏源电容cds。

步骤s2：根据电压控制电流源ids得到非分段ganhemt模型的静态特性，并根据静态特性建立非分段静态特性模型。

步骤s3：根据栅漏电容cgd、栅源电容cgs和漏源电容cds得到非分段ganhemt模型的动态特性，并根据动态特性建立非分段动态特性模型。

步骤s4：根据非分段静态特性模型和非分段动态特性模型得到非分段ganhemt模型。

作为具体的示例，得到的非分段ganhemt模型例如图2所示，主要包括电压控制电流源ids和栅漏电容cgd、栅源电容cgs、漏源电容cds。其中电压控制电流源ids用来描述ganhemt模型的静态特性，三个寄生电容cgd、cgs、cds则用来描述ganhemt模型的动态特性。

具体地说，电压控制电流源ids描述了ganhemt模型的静态i-v特性，目前仿真模型中比较常用的对于电流源ids的建模，都是分为截止区、线性区和饱和区三个部分来考虑。这种方法简单直观，但是缺点也很明显，一是很难确定准确的线性区和饱和区的分界漏源电压vds的关系式，二是将电流源ids分为几段会使得将其运用于电力电子电路仿真时很容易出现不收敛的现象。基于这两个缺点，本发明的实施例使用非分段、光滑连续的方程对电流源ids进行建模。

在本发明的一个实施例中，ganhemt的内部结构图如图3所示，根据其工作原理，电压控制电流源ids主要由以栅源电压vgs为变量的转移特性方程、以漏源电压vds为变量的输出特性方程和以温度t为变量的温度特性方程三个部分组成。

需要说明的是，与simosfet垂直导电沟道不同的是，ganhemt是近似对称的横向导电沟道，因此电流源isd方程与正向导通时基本相同，但是反向导通时的控制电压分别为栅漏电压vgd和源漏电压vsd。因此以下实施例以正向导通状态为例，对非分段静态特性模型的建模过程进行介绍。

具体地，转移特性的方程以经验模型中的met(摩托罗拉电热)模型为基础，转移特性方程具体为：

其中，a1、b1和c1是与转移特性有关的待拟合参数。

相应地，输出特性方程为：

其中，a2和a3是与输出特性有关的待拟合参数。

进一步地，根据datasheet中提供的曲线，可以发现在栅源电压vgs不同的条件下输出特性会得到不同的曲线，因此在输出特性方程中也需要将栅源电压vgs作为变量。在保证拟合效果的前提下，用最简单的线性方程进行拟合，然后得到室温下正向导通时的电流源ids方程为：

其中，k1、m1、n1、d1和e1是与栅源电压vgs有关的输出特性待拟合参数。

需要注意的是，器件在反向导通时，控制电压为栅漏电压vgd，且

vgd＝vgs+vsd，

因此，当源漏电压vsd不断增大时，栅漏电压vgd也不断增大，使得反向导通时的电流isd一直增大，也就是ganhemt反向导通时一直工作在线性区。因此，反向导通方程可以做相应简化。具体地，反向导通时的电压控制电流源ids方程：

其中，k2、b2和c2是与反向导通特性有关的待拟合参数。

进一步地，对于温度特性，根据datasheet可以发现，不同温度下的曲线变化趋势基本相同，只是电流值不同。为保证非分段模型的最简化，在已经得到的电流源方程基础上作线性拟合，最终得到电压控制电流源ids考虑温度特性后的方程如下所示：

其中，

其中，l1、l2、h1和h2是与温度特性有关的待拟合参数。

另一方面，ganhemt的动态特性主要由三个寄生电容(即栅漏电容cgd、栅源电容cgs和漏源电容cds)决定。根据datasheet提供的电容-电压(c-v)曲线，栅源电容cgs、栅漏电容cgd和漏源电容cds都用与电压有关的非线性方程来表示，以栅漏电容cgd为例，图4展示了非线性电容的建模原理。也即，在步骤s3中，根据动态特性建立非分段动态特性模型，包括：用一个线性电容c0和一个随电压非线性变化的方程的乘积来表示非线性电容cgd，非线性电容cgd的微分环节是通过线性电容c0来实现的，大大简化了仿真难度；随电压非线性变化的方程通过电压控制电压源egd来实现的，这样线性电容c0上就可以感应出随栅漏电压vgd变化的电流ic0，然后再通过电流控制电流源感应电压值为0v的直流电压源v0上的电流值，从而得到等效非线性电容cgd的电流igd，其中，

在非线性电容模型建立时，需要设置的是电压控制电压源egd和电流控制电流源igd，因此需要得到egd和igd的关系式。根据datasheet中提供的电容变化曲线，经过数据提取、拟合可以得到受控电流源igd的方程，又因为受控电流源igd和受控电压源egd存在微分关系，即：egd＝∫igddt，由此，igd和egd的方程为：

其中，s、p、q和r是与电容-电压特性有关的待拟合参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，该方法还包括：提取模型参数。具体包括：根据预设的数据提取软件将datasheet中提供的曲线转换为数据；根据静态i-v特性曲线方程和动态c-v特性曲线方程和得到的数据在预设的曲线拟合软件中进行拟合；根据拟合结果对静态i-v特性曲线方程和动态c-v特性曲线方程进行相应的调整，以得到模型参数。

作为具体的示例，模型参数提取所需的静态i-v特性曲线和动态c-v特性曲线由ganhemt的datasheet提供，参数提取的具体过程例如图5所示。首先，利用数据提取软件getdata，将datasheet中提供的曲线转换为数据，然后再结合前文确定的i-v、c-v方程在曲线拟合软件1stopt中进行拟合，最后根据1stopt中的拟合结果对方程作相应的调整，最后得到准确的模型参数。

例如，室温下的静态特性参数如下表1所示：

表1

例如，温度特性参数如下表2所示：

表2

由于datasheet中只提供了转移电容crss、输入电容ciss和输出电容coss的曲线，因此需要通过如下公式得到需要的寄生电容数据：

例如，提取得到的寄生电容参数如下表3所示：

表3

在本实施例中，对本发明上述实施例得到的非分段ganhemt模型进行验证，通过仿真和实验验证ganhemt非分段模型的准确性，同时将模型实际应用于全桥dc-ac逆变电路，验证模型可以满足基本的仿真收敛性要求。其中，非分段ganhemt模型的验证分为静态特性验证、动态特性验证和仿真收敛性验证三个部分。在本实施例中，选择epc公司的epc2010(200v/12a)作为建模对象，下文中提到的ganhemt都是指这一增强型的epc2010。

1.静态特性的验证。

静态特性的验证主要是将仿真结果与datasheet中的曲线进行对比，ganhemtdatasheet中提供的静态特性曲线包括25℃条件下的正向输出特性，25℃和125℃条件下的正向转移特性和反向输出特性曲线。

根据表1中的参数，可以在pspice中建立静态模型，然后通过软件中的直流扫描功能得到静态特性的仿真结果。正、反向输出特性的仿真(虚线)和datasheet(实线)的对比图分别如图6和图7所示。可以看出，仿真结果与datasheet曲线吻合良好。

不同温度下的正向转移特性和反向输出特性仿真结果可以通过pspice中的温度扫描功能得到。25℃、125℃条件下的正向转移特性和反向输出特性的仿真(虚线)和datasheet(实线)的对比图分别如图8和图9所示。可以看出，不同温度下的仿真结果与datasheet曲线吻合良好。

2.动态特性的验证。

ganhemt的动态特性由寄生电容决定，因此需要将非线性电容的仿真结果与datasheet中的曲线进行对比，仿真结果通过pspice中的瞬态分析功能得到。栅漏电容cgd、漏源电容cds和栅源电容cgs的仿真结果(虚线)与datasheet(实线)对比图如图10所示。其中，图10(a)是栅漏电容cgd的仿真结果(虚线)与datasheet(实线)对比图，图10(b)是漏源电容cds的仿真结果(虚线)与datasheet(实线)对比图，图10(c)是栅源电容cgs的仿真结果(虚线)与datasheet(实线)对比图，可以看出，仿真结果和datasheet曲线显示了良好的一致性。

另外，动态特性也可以表现出ganhemt在开关过程中电压和电流的变化。为了验证非分段模型在开关过程中所表现出的动态特性是否正确，本实施例中，搭建了一个双脉冲测试平台，其中的双脉冲测试电路包含由两个epc2010构成的桥臂，这种结构使得低压侧epc两端的电压和电流波形能够反映ganhemt的正向和反向动态特性。驱动芯片采用texasinstruments公司的lm5114，这是专门用来驱动低压侧增强型ganhemt。双脉冲电路中的高压侧ganhemt一直处于关断状态，因此直接将栅极和源极短接。实验在室温感性负载条件下进行。

pspice中的双脉冲仿真电路如图11所示。为了预测开关过程中电压和电流瞬时的尖峰和振荡，仿真时将寄生参数也考虑在内。电感和电容上的寄生参数通过rlc测量仪flukepm6306测量得到。根据实际双脉冲电路的pcb走线和焊接情况，杂散参数也考虑在内，电路中的杂散参数通过软件ansoftq3d提取得到，提取得到的杂散参数如下表4所示。

表4

具体地，双脉冲电路参数如下表5所示：

表5

低压侧ganhemt的电压和电流仿真波形如图12所示。双脉冲实验中用到的实验仪器、设备的型号和参数如下表6所示。

表6

双脉冲实验测试平台的电路参数与仿真条件保持一致。低压侧ganhemt的电压和电流实验波形如图13所示。

开通过程和关断过程中电压和电流波形的仿真(虚线)与实验(实线)对比图分别如图14和图15所示。其中，图14(a)是开通过程中电压波形的仿真(虚线)与实验(实线)对比图，图14(b)是关断过程中电压波形的仿真(虚线)与实验(实线)对比图，图15(a)是开通过程中电流波形的仿真(虚线)与实验(实线)对比图，图15(b)是关断过程中电流波形的仿真(虚线)与实验(实线)对比图。

仿真和实验波形的上升时间和下降时间如下表7所示。仿真和实验结果的对比表明，仿真波形和实验波形基本相符，但是电路中的杂散参数没有办法全部考虑进去，所以仿真和实验的上升下降时间仍有一些差异。总体而言，仿真波形可以准确反映ganhemt在开关过程中的电压和电流变化。

表7

3.仿真收敛性验证。

为了验证本发明实施例得到的ganhemt非分段模型的仿真收敛性，将该模型和常规分段模型放入同一个全桥dc-ac逆变电路中，电路拓扑结构如图16所示，仿真电路参数如下表8所示。

表8

仿真结果显示，将本发明实施例得到的非分段模型放入dc-ac逆变电路中，仿真输出电压波形正常；相同情况下，将模型换为常规分段模型，电路不收敛，无法得到输出电压的波形，如图17所示。其中，图17(a)是利用非分段模型得到的仿真波形，图17(b)是利用常规分段模型得到的仿真结果。

为了进一步对比这两种模型的仿真收敛性，将图16中的电感l和电容c去掉，再次对电路进行仿真，非分段模型和常规分段模型的输出电压波形对比图如图18所示。其中，图18(a)是简化的全桥dc-ac逆变电路拓扑，图18(b)是利用两个模型仿真得到的输出电压波形对比。根据对比结果可以发现，利用常规分段模型仿真得到的输出电压波形明显是错误的，因此本发明实施例得到的ganhemt非分段模型对仿真收敛性的提高有明显帮助，这使得所提出的非分段模型可以用于实际的电力电子电路仿真。

基于ganhemt的datasheet和双脉冲实验平台，该ganhemt非分段模型的静态特性和动态特性得到了良好验证。另外，本发明实施例首次将所提出的ganhemt模型应用于实际的电力电子电路仿真，非分段模型的良好收敛性也通过全桥dc-ac逆变电路的仿真结果得到了验证。因此，本发明实施例的ganhemt非分段pspice模型使得以后功率变换器的设计和分析更加便利和高效。

综上，根据本发明实施例的非分段ganhemt模型的建立方法，使用非分段、光滑连续的方程定义ganhemt模型的静态特性和动态特性，能够得到收敛性好和准确性高的非分段ganhemt模型，进而更好地应用于电力电子电路仿真，同时使得后续功率变换器的设计和分析更加便利和高效。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。