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基于开关函数的脉冲功率负载大信号模型研究

电工技术学报 2020年第16期35卷 3509-3517页

作者：严鋆王金全陈颖黄克峰沈沉电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系) 北京100084 陆军工程大学国防工程学院南京210007

以现代电子雷达为代表的脉冲功率负载包含了大量电力电子开关器件,工作周期通常为10^−2~10^−1s级,若接入独立微电网运行,将给系统的安全稳定带来极大挑战。为研究脉冲功率负载接入对独立微电网系统稳定性的影响,提出基于开关函数的脉冲... 详细信息

以现代电子雷达为代表的脉冲功率负载包含了大量电力电子开关器件,工作周期通常为10^−2~10^−1s级,若接入独立微电网运行,将给系统的安全稳定带来极大挑战。为研究脉冲功率负载接入对独立微电网系统稳定性的影响,提出基于开关函数的脉冲功率负载大信号模型。该模型基于脉冲功率负载等效拓扑结构,以三相不可控整流器、Buck变换器和直流开关负载为核心,通过分析整流器、变换器和直流开关负载各开关器件的工作状态及相应开关函数,建立脉冲功率负载与外部电网接口的电压电流动态方程。分析结果表明,采用上述模型所得出的柴油发电机组——脉冲功率负载系统频率波动率δf和直流电压波动率δu_dc的分析结论与实验结果相一致,验证了所提出脉冲功率负载大信号模型的正确性。

关键词：脉冲功率负载等效拓扑大信号模型独立微电网

高功率微波GaN HEMT物理基大信号模型研究

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高功率微波GaN HEMT物理基大信号模型研究

作者：余秀玲电子科技大学

学位级别：硕士

氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)以其高功率密度、高频率、耐高温等特性,被广泛应用于5G基站通信以及雷达等领域。为了更好地指导器件和电路设计,研究GaN HEMT的等效电路模型十分有必要。目前,国内外学者在GaN HEMT的模型上进行了... 详细信息

氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)以其高功率密度、高频率、耐高温等特性,被广泛应用于5G基站通信以及雷达等领域。为了更好地指导器件和电路设计,研究GaN HEMT的等效电路模型十分有必要。目前,国内外学者在GaN HEMT的模型上进行了较多研究,主要包括经验基模型和物理基模型。其中,物理基模型具备工艺相关性和快速更新的特性,且能指导工艺和器件的改进,成为了研究热点。与此同时,随着无线通信和雷达对大功率器件需求的进一步提高,使得大功率器件的物理基模型成为了目前建模领域的一个重要研究方向。但大功率器件存在测试困难、多物理场耦合效应描述困难及物理基模型复杂等问题,给大功率器件的物理基建模带来了诸多挑战。对此,本文采用基于直接测量的物理基模型来研究器件在高功率条件下的输出特性,主要包括以下研究内容:1.大栅宽GaN HEMT小信号等效电路模型研究针对用于本次建模的高功率GaN器件无法直接在片测试的问题,采用基于夹具的在片测试方法并建立夹具模型,对测试数据进行去嵌。基于19元件小信号等效电路模型,建立了准确的小信号模型并完成了参数提取。2.GaN HEMT物理基大信号模型研究首先,基于准物理基区域划分(QPZD)模型,改进了电子面密度n模型,将饱和电流I模型在近夹断区的表征精度提高至95%以上。其次,针对高功率器件的高压工作特性,将物理基陷阱模型和自热模型嵌入了电流模型,建立了能准确表征高漏压情况的物理基电流模型。然后,针对高功率器件的场板对电容的影响,基于表面势理论推导了考虑场板的物理基电容解析表达式。最后,突破了物理基模型收敛性不佳、仿真速度慢的技术难点,建立了物理基大信号模型。3.GaN HEMT物理基大信号模型的验证首先,分别在脉冲模式和连续波模式下对高功率GaN HEMT物理基大信号进行验证并计算模型精度。结果表明,在射频脉冲单音、连续单音、连续双音信号激励下,模型对器件的射频大信号特性的表征精度分别为93%、92%、93.64%以上,验证了物理基模型的准确性。然后,分析模型中关键物理参数对模型射频性能的影响并验证,进一步验证了物理基大信号模型的正确性。最后,基于以上工作,本文建立了与物理机理一致、表征精度高且适用于高功率条件下的物理基大信号模型。

关键词： GaN HEMT 高功率物理基大信号模型

基于表面势的GaN HEMT大信号模型研究

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基于表面势的GaN HEMT大信号模型研究

作者：马舒琦杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着5G时代的到来,以硅（Si）和砷化镓（Ga As）材料为代表的第一、二代半导体,已经无法满足当前大功率场景应用的需求,而以氮化镓（GaN）为首的第三代宽禁带半导体逐渐显露出独特的优势。其中,GaN HEMT器件具有高功率密度、高频率特性... 详细信息

随着5G时代的到来,以硅（Si）和砷化镓（Ga As）材料为代表的第一、二代半导体,已经无法满足当前大功率场景应用的需求,而以氮化镓（GaN）为首的第三代宽禁带半导体逐渐显露出独特的优势。其中,GaN HEMT器件具有高功率密度、高频率特性,是目前最有发展前景的射频功率器件。精确的GaN HEMT器件模型可以大大缩短研发周期、降低成本和提高电路生产的良率。由于GaN HEMT器件具有复杂的自热效应、陷阱效应,使得其大信号特性的精确建模十分困难。本文基于ASM-HEMT模型内核方程,开发改进了GaN HEMT电流和电荷模型,主要研究内容如下:（1）介绍了GaN材料的优势、GaN HEMT器件的物理结构及其工作机理。基于射频在片测试技术,研究了GaN HEMT器件的脉冲测试和负载牵引测试,并给出了一套完整的器件建模的测试方案。（2）推导了原版ASM-HEMT模型的核心表面势方程,从GaN HEMT器件基础物理效应入手,阐述了GaN HEMT器件的建模方法。并在参数拟合实验的基础上,深入剖析了ASM模型用于GaN HEMT器件建模的不足之处。为建立改进的表面势基GaN HEMT大信号模型提供理论支撑。（3）基于某国产0.25μm工艺的GaN HEMT器件测试数据,改进了表面势基GaN HEMT器件大信号模型。该模型通过外接二极管以及重构方程改进栅电流模型,通过加入经验函数改进漏电流以及电容模型,利用脉冲测试法模拟自热效应,采用经验模型模拟陷阱效应。（4）针对电路设计对尺寸缩放模型及高精度器件模型的需求。采用本文提出的表面势基GaN HEMT器件模型建立了国产0.25μm GaN HEMT器件尺寸缩放模型,并从器件级和电路级（C波段10元件功放电路）验证了尺寸缩放模型的小信号特性和功率特性精度。结果表明,本文提出的表面势基GaN HEMT器件模型,具有良好的精度、收敛性以及尺寸可扩展性能。

关键词： GaN HEMT 功率器件表面势基ASM模型大信号模型尺寸缩放

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毫米波/太赫兹MOSFET大信号模型研究

毫米波/太赫兹MOSFET大信号模型研究

作者：杨紫暄电子科技大学

学位级别：硕士

硅基MOSFET因工艺成熟、成本低、功耗低、集成度高等优势而被广泛应用在功率放大器、振荡器、低噪声放大器等大信号电路中。在电路设计流程中,晶体管作为射频电路最基本的元件,其模型准确度是缩短电路设计周期、降低设计成本的关键。随... 详细信息

硅基MOSFET因工艺成熟、成本低、功耗低、集成度高等优势而被广泛应用在功率放大器、振荡器、低噪声放大器等大信号电路中。在电路设计流程中,晶体管作为射频电路最基本的元件,其模型准确度是缩短电路设计周期、降低设计成本的关键。随着CMOS工艺的发展,晶体管工作在高频时呈现了复杂的物理效应和寄生效应。如何建立准确的MOSFET高频大信号模型得到研究人员的重点关注。本文围绕着毫米波/太赫兹MOSFET大信号模型展开研究。本文首先从表面势方程出发,推导了满足电荷守恒定律的长沟道MOSFET本征电容模型。在此基础上,对MOSFET本征电容的频率特性进行研究,通过贝塞尔函数求解连续性方程得到了非线性本征电容频率模型,该模型在10f内都具有良好精度。本文还分析了短沟道效应和沟道长度调制效应对MOSFET非线性本征电容的影响。此外,本文提出了一种在直流条件下提取源漏寄生串联电阻的新方法,相较传统直流提取方法,该方法能有效避免需要预先精确提取阈值电压、有效栅长等参数的困扰,并考虑了迁移率调制因子对源漏寄生串联电阻的影响,结果表明该提取方法的误差在10%以下。本文还基于对MESFET经验直流模型的研究,考虑源漏寄生串联电阻以及栅压对沟道长度调制因子的影响,提出了改进的直流模型,并通过测试验证了模型精度,结果表明该模型能准确反应晶体管的直流特性,而后通过简单的缩放规则,提出了可扩展非线性直流模型,并对晶体管射频电流模型进行了探究。最后,考虑晶体管的高频寄生效应,本文建立了毫米波/太赫兹大信号等效电路模型,并通过SDD元件将模型嵌入ADS中进行验证。结果表明,该模型的小信号S参数、输出功率、增益、功率附加增益都具有较高精度。

关键词：非线性电容模型非线性直流模型大信号模型

一种紧凑的GaN高电子迁移率晶体管大信号模型拓扑

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电子学报 2018年第2期46卷 501-506页

作者：韩克锋蒋浩秦桂霞孔月婵南京电子器件研究所江苏南京210016

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)以其复杂的器件特性使其大信号建模变得十分困难,尽管EEHEMT、Angelov等模型结构曾经成功应用于Ga As HEMT/MESFET的大信号模型,但当它们被用于GaN HEMT建模时却不再准确和完备.面向GaN HEMT器件的大信号模... 详细信息

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)以其复杂的器件特性使其大信号建模变得十分困难,尽管EEHEMT、Angelov等模型结构曾经成功应用于Ga As HEMT/MESFET的大信号模型,但当它们被用于GaN HEMT建模时却不再准确和完备.面向GaN HEMT器件的大信号模型,本文提出了一种紧凑的模型拓扑,此模型拓扑综合了GaN HEMT器件的直流电压-电流(I-V)特性、非线性电容、寄生参数、栅延迟漏延迟与电流崩塌、自热效应以及噪声等特性.经验证此模型拓扑在仿真中具有很好的收敛性,适用于GaN HEMT器件的大信号模型的建立,满足GaN基微波电路设计对器件模型的需求.

关键词：氮化镓高电子迁移率晶体管大信号模型非线性收敛性

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Ka波段GaN HEMT大信号模型研究

Ka波段GaN HEMT大信号模型研究

作者：方恒电子科技大学

学位级别：硕士

由于具有高功率密度、耐高温高压等优异特性，近年来，氮化镓高电子迁移率晶体管一直受到各国的特别关注，得到了重点发展并取得显著的进步，在下一代移动通信以及航空航天等领域被广泛应用。为了表征GaNHEMT器件的输出特性以及指导电... 详细信息

由于具有高功率密度、耐高温高压等优异特性，近年来，氮化镓高电子迁移率晶体管一直受到各国的特别关注，得到了重点发展并取得显著的进步，在下一代移动通信以及航空航天等领域被广泛应用。为了表征GaNHEMT器件的输出特性以及指导电路的设计，有必要建立准确的器件模型。与此同时，随着器件工艺的持续发展，对模型的要求也一直在提高，因此需要不断地研究更新GaNHEMT模型。作为器件模型的核心，漏极电流方程是目前建模领域的研究重点。针对Ka波段GaNHEMT器件大信号模型的建立，本文研究内容如下：　　1.GaNHEMT小信号模型研究。为了后续的大信号建模，本文首先基于19元件小信号模型拓扑网络针对GaNHEMT器件提取了寄生参数与本征参数，之后在仿真软件中建立了小信号模型，其对频率在40GHz以内器件的小信号S参数的表征精度达到了95%，从而验证了小信号模型的正确性。　　2.GaNHEMT经验基大信号模型研究。针对传统模型很少关注到GaNHEMT器件非线性特性从而无法适应高线性器件模型需求的问题，本文首先提出了一种考虑色散效应的经验基电流模型，其次将对器件高阶跨导的验证引入到建模流程中，利用新的方法优化模型参数，有效地提升了器件线性度的仿真精度。紧接着建立了非线性电容模型。最后，对比了测试值与大信号模型的仿真值，其对GaNHEMT器件三阶交调特性的预测误差在2dBc以内。此外，该模型对S参数及大信号输出特性的预测精度在90%以上，负载牵引的模拟效果也比较好。　　3.GaNHEMT准物理基大信号模型研究。针对经验基电流模型缺乏明确物理意义的问题，本文提出了一种基于调和平均值的准物理基电流模型。该电流模型在饱和区使用了具有明确物理意义的萨支唐方程，而在线性区则使用了经验方程，并通过引入调和平均值将两个区域的电流方程合并成统一的表达式。然后，分别用脉冲电流及直流电流的测试数据对该电流模型进行了验证，模型可以很好地表征GaNHEMT器件的电流输出特性。最后，建立了大信号模型，并准确地模拟了GaNHEMT器件的大信号输出特性，进一步体现该电流模型的正确性。

关键词：氮化镓高电子迁移率晶体管 Ka波段大信号模型电流方程

基于回转器理论的电流模式控制型DC-DC变流器统一大信号模型

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电工技术学报 2015年第1期30卷 127-134页

作者：杜韦静张军明钱照明浙江大学电气工程学院杭州310027

随着新能源技术的大力发展,直流分布式系统以其独特的优势得到了越来越广泛的关注,逐渐成为业界的研究热点。虽然系统中每个模块都能够单独稳定运行,但由于模块之间复杂的相互作用,系统的稳定性特别是在大信号扰动下的暂态稳定性情况仍... 详细信息

随着新能源技术的大力发展,直流分布式系统以其独特的优势得到了越来越广泛的关注,逐渐成为业界的研究热点。虽然系统中每个模块都能够单独稳定运行,但由于模块之间复杂的相互作用,系统的稳定性特别是在大信号扰动下的暂态稳定性情况仍是令人困扰的一大难题,且目前该领域的理论研究成果相对缺乏。简单、有效、统一的大信号模型是进行大信号稳定性理论分析的基础。由于电流模式控制方法应用较为广泛,故本文基于回转器理论提出了一种适用于电流模式控制型DC-DC变流器的统一大信号模型。该模型实现了降阶,表达式简单,且仅需修改其中一个模型参数值即可实现对不同拓扑变流器的建模分析,为理论分析系统的大信号稳定性奠定了良好的基础,也为解析形式大信号稳定性判据的提出提供了可能。仿真和实验分别基于Buck、Boost及Buck-Boost变流器对该模型的有效性进行了验证。同时,为验证该大信号模型的完备性,对其稳态工作点附近的小信号特性也进行了分析,并与目前公认的比较精确的电流模式控制小信号模型进行了对比,得到了较好的结果。

关键词：大信号模型回转器理论电流模式控制降阶

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毫米波GaN HEMT器件大信号模型

固体电子学研究与进展 2017年第2期37卷 73-76页

作者：陆海燕周建军孔月婵陈堂胜南京电子器件研究所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室南京210016

介绍了一种毫米波GaN基HEMT器件大信号等效电路模型。该模型采用SDD的建模方法。提出了I-V及C-V表达式,完成了直流及S参数的拟合,并分析了拟合结果。与18GHz的在片loadpull测试结果比较,模型仿真结果显示输出功率及效率与实测数据基本... 详细信息

介绍了一种毫米波GaN基HEMT器件大信号等效电路模型。该模型采用SDD的建模方法。提出了I-V及C-V表达式,完成了直流及S参数的拟合,并分析了拟合结果。与18GHz的在片loadpull测试结果比较,模型仿真结果显示输出功率及效率与实测数据基本一致。

关键词：符号定义器件 GaN高电子迁移率晶体管大信号模型

表面势基GaAs pHEMT大信号模型研究

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表面势基GaAs pHEMT大信号模型研究

作者：夏颖杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着5G时代的火热袭来,具有良好高频、低噪声以及低损耗特性的Ga As基p HEMT器件,在5G基站中高频功率放大器方向发挥着明显的优势。通过半导体器件建模技术,能够准确表征Ga As p HEMT的电学特性,指导其工艺结构优化以及提高产品的良率。... 详细信息

随着5G时代的火热袭来,具有良好高频、低噪声以及低损耗特性的Ga As基p HEMT器件,在5G基站中高频功率放大器方向发挥着明显的优势。通过半导体器件建模技术,能够准确表征Ga As p HEMT的电学特性,指导其工艺结构优化以及提高产品的良率。对Ga As p HEMT而言,目前行业内基本只有经验基模型对其表征。相对而言,物理基模型从器件载流子运输机理出发,结合能级理论、泊松方程等对器件特性进行表征,参数较少且高阶导数收敛性和模型的扩展性较好。在5G通信对功率器件高线性度和高输出功率等的严格要求下,亟需一套物理基大信号模型对Ga As p HEMT进行建模。本文基于表面势ASM模型的内核方程,开发针对Ga As p HEMT的物理基电流和电荷模型,主要内容如下:（1）简单介绍了Ga As材料的优势以及Ga As p HEMT的结构组成、工作原理和基本的电学特性。基于射频在片测试技术,研究了Ga As p HEMT的小信号和大信号测试系统和流程。（2）详细推导了表面势ASM模型的核心表面势方程,更加深入地理解了表面势模型的底层原理,为后文基于表面势理论为Ga As p HEMT建立物理基的大信号模型提供了强有力的理论支撑。（3）基于ASM模型的内核表面势方程开发出Ga As p HEMT的物理基大信号模型。提出了大信号的拓扑结构和小信号模型参数提取方法,分析了表面势基Ga As p HEMT大信号模型的开发机制。结合国内某0.5um工艺线提供的器件实测数据,详细阐述了大信号模型的参数提取流程。（4）对表面势基Ga As p HEMT大信号模型进行了小信号S参数和非线性功率特性的验证,并建立了0.5um工艺下表面势基Ga As p HEMT的尺寸可缩放模型。结果表明,本文所提出的表面势基大信号模型在0.025-40.025GHz频段内具有良好的精度、三阶以内的高阶收敛性以及灵活的可扩展性,并且满足器件最大输出功率等非线性指标。

关键词： GaAs pHEMT 功率器件表面势大信号模型尺寸缩放