[发明专利]一种Cascode型器件内部寄生电容参数提取的方法

说明书

本发明涉及一种Cascode型器件内部寄生电容参数提取的方法，提出了一种基于实验测量和2端口网络分析的混合物理行为建模法，测量出Cascode型GaN器件的输入电容Ciss，传输电容Crss和输出电容Coss。通过对不同电压等级下的测量数据进行拟合，得到Cascode型GaN器件的C_iss–V_DS，C_rss–V_DS和C_oss–V_DS非线性压变特性曲线。从测量结果来看，这几个电容容值是随着电压的不同非线性变化的。第二步，根据测量拟合的3条非线性压变电容曲线和低压Si‑MOSFET的3个寄生电容的参数曲线，通过二端口网络分析法推导出取Cascode型GaN器件内部耗尽型的GaN的三个结电容的C–V模型。本发明获得了Cascode GaN的内部的高压耗尽型GaN的非线性电容参数及C‑V其特性曲线，为定量地分析振荡以及设计抑制电路提供参数依据。

技术领域

本发明属于功率变换技术领域，涉及一种Cascode型器件内部寄生电容参数提取的方法。

背景技术

近年来，由第三代宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)制成的功率器件在高速和高功率密度的功率电子应用中逐渐兴起。GaN功率器件相比于Si、SiC，具有更高的开关频率、更小的开通电阻以及更小的栅极电荷，这就意味着在高功率密度和高效率的转换器方面，GaN器件具有明显的优势。

为了充分发挥宽禁带半导体器件的优势，制造商们重新考虑了20世纪30年代将真空电子管串联以形成混合器件且性能优于其中任何一个器件的想法，这项被命名为Cascode(共源共栅)的技术在近年以BJT和MOSFET混合的形式重新出现。Cascode以宽禁带半导体器件来实现是采用将Si MOSFET和常开型SiC JFET或高压耗尽型GaN串联连接的方式。具有高饱和电流的Coscode可以很好地通过关断通道来处理更长时间的瞬间短路，导通电阻呈正温度系数分布对此也有所帮助。Cascode可以作为SiC MOSFET、GaN HEMT等器件的直接替代品，并可以很容易地应用于正在使用Si MOSFET和IGBT的传统设计中。

由于耗尽型GaN器件是是常开型器件,驱动和故障保护不容易做，不适合桥式变流器应用。为了解决这一问题，引入Cascode型GaN和增强型GaN，使GaN开关具有常闭器件的特性。Cascode型GaN是通过将低压硅MOSFET与高压耗尽型GaN串联而成，这种结构不仅可以实现器件的常闭，还可以缓解Miller效应、提高开关速度、降低大电流条件下的关断损耗。因此，Cascode型GaN器件是大功率和高频开关应用的有力候选器件。然而，Si MOSFET和GaN器件之间的连接导致寄生电感增加，在高的开关频率下导致过度振荡效应，从而限制高频操作。此外，在大电流关断过程中，Si和GaN器件之间的固有电容以及寄生电感可能会在关断过程中导致较大的振荡。Cascode型GaN器件中的多个寄生元件以及外部电路中的寄生电感可能会在高开关频率下引起较大的振荡，从而导致严重的电压超调、额外的功率损耗、电磁干扰(EMI)噪声，甚至器件击穿，降低了系统的可靠性。Cascode型GaN器件的复杂结构和多个寄生参数之间的耦合使得开关振荡的建模和抑制非常困难，现有工程技术中普遍采用实验试错的方法来寻找抑制开关振荡参数，耗费大量的工时来寻找，同时不能保证匹配的参数是最优的电路参数，要么牺牲了器件的开关速度、增加了开关损耗，要么只是在有限的工况下才能抑制开关振荡，不能保证Cascode型GaN器件工作在最佳的工作状态。因此，需要通过Cascode型GaN桥式变换器的电路模型，定量化地设计抑制开关振荡的方法和匹配抑制振荡地参数，来保证GaN器件安全可靠运行，并充分发挥GaN功率器件的高频开关特性。