使用MVS-GaN HEMT紧凑模型促进基于GaN的射频和高电压电路设计

标题：Facilitation of GaN-Based RF- and HV-Circuit Designs Using MVS-GaN HEMT Compact Model

来源：IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES（19年）

摘要—本文阐述了基于物理的紧凑器件模型在研究器件行为细微差异对电路和系统操作与性能的影响方面的实用性。采用行业标准的麻省理工学院虚拟源氮化镓高电子迁移率晶体管（GaNHEMT）（MVSG）模型作为建模框架，以了解GaN HEMT的操作并研究GaN基高频和功率转换电路中的关键器件-电路相互作用。呈现了核心模型方程及其物理基础的详细信息，以及用于验证模型的收敛稳健性和仿真准确性的基准测试。通过GaN基高压转换器和射频功率放大器的示例突出显示了这种紧凑模型在电路设计中的实用性。研究表明，在硬开关降压转换器中，GaN HEMT中的场板之间的动态电荷分布决定了斜率，表明器件级效应对电路性能的重要性。同样，使用MVSG模型表明，GaN RF功率放大器的性能指标，如漏极效率和线性度，严重依赖于器件级效应，如存取区耗尽、热效应和电荷捕获效应。这些使用MVSG模型设计的GaN基电路可以作为示范案例，展示准确的物理紧凑模型在设计新兴技术中的高性能电路和系统方面的重要性。
索引词—紧凑模型，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT），高压（HV）电路，麻省理工学院虚拟源GaN HEMT（MVSG）模型，射频电路。

文章研究了什么

• 器件级效应，如存取区耗尽、热效应和电荷捕获效应，严重影响了GaN RF功率放大器的性能指标，包括漏极效率和线性度。
• 在硬开关降压转换器中，斜率由GaN HEMTs中场板之间的动态电荷分布确定，表明器件级效应对电路性能的重要性。
• 作为转换器或高功率功放中的HV开关使用的GaN HEMTs在硬开关条件下经历较高的功耗和自热效应，导致电流特性下降。MVSG模型中的热模块使用RC时间常数捕捉了这种效应。
• HV应用需要在一系列环境温度下操作功率转换器电路。使用MVSG模型提取的温度系数使得能够准确估计器件在整个温度范围内的行为。

文章的创新点

• 本文强调了基于物理的紧凑器件模型在研究器件行为细微差异对电路和系统操作与性能的影响方面的实用性。
• 行业标准的麻省理工学院虚拟源氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）（MVSG）模型被用作建模框架，以了解GaN HEMTs的操作，并研究高频和功率转换电路中的关键器件-电路相互作用。
• 文章介绍了MVSG模型的核心模型方程，以及它们的物理基础，并通过基准测试验证了模型的收敛稳健性和仿真准确性。
• 通过GaN基高压转换器和射频功率放大器的示例，展示了紧凑模型在电路设计中的实用性，突显了在设计新兴技术中的高性能电路和系统时准确的物理紧凑模型的重要性。
• 文章还强调了在设计基于GaN的电路时考虑器件级效应的重要性，如存取区耗尽、热效应和电荷捕获效应，因为这些效应严重影响漏极效率、线性度和斜率等性能指标。

文章的研究方法

• 文章中采用的研究方法涉及使用基于物理的紧凑器件模型，具体而言是麻省理工学院虚拟源氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）（MVSG）模型，来研究器件行为细微差异对电路和系统操作与性能的影响。
• 文章呈现了MVSG模型的核心模型方程及其物理基础。这些方程控制着器件中的载流子传输和电荷，同时考虑了次要效应，如加热、电荷捕获和射频行为。
• 使用详细的基准测试验证了模型的准确性和数值收敛性质。
• 经过校准的模型随后用于设计和分析高性能的GaN RF和HV电路，研究关键的器件-电路相互作用。
• 通过两个示例案例研究，即高压GaN转换器和高线性度GaN功率放大器，演示了基于物理的模型如何将器件中载流子传输的物理学与其端口行为以及最终电路性能相联系。

文章的结论

• 文章的结论强调了基于物理的紧凑器件模型在优化新兴技术中的器件和电路设计方面的重要性。
• 采用行业标准的GaN HEMT MVSG模型作为工具来演示这一概念，展示了该模型如何准确描述器件行为及其对电路和系统性能的影响。
• 推导了控制器件中载流子传输和电荷的核心模型方程，并考虑了次要效应，如加热、电荷捕获和射频行为。
• 文章通过详细的基准测试验证了这些效应的准确性和数值收敛性质。
• 经过校准的模型随后被用于设计和分析高性能的GaN RF和HV电路，研究关键的器件-电路相互作用。
• 总体而言，文章突显了基于物理的紧凑器件模型在理解器件行为及其对电路性能的影响方面的实用性，最终有助于设计新兴技术中的高性能电路和系统。

概念学习：

Class-A 是一种高度线性的放大器设计，其特点是在整个信号周期内都有电流流过放大器。即使在没有输入信号的时候，也有恒定的直流电流通过输出器件。这使得Class-A放大器具有很高的线性度，但也导致了低效率，因为输出晶体管在整个工作周期内都在导通，产生了较多的热量。Class-A通常用于要求高线性度的应用，如音频放大器。
Class-B 放大器：

Class-B 是一种更为高效但牺牲了一些线性度的设计。在Class-B放大器中，输出晶体管在信号的正半周和负半周中分别负责放大，即它们交替工作，只有在输入信号足够大的时候才导通。这减少了功率损耗，提高了效率，但在信号过渡的地方可能存在失真。Class-B通常用于无线通信和射频放大器等需要高效的应用。
Class-AB 放大器：

Class-AB 是Class-A和Class-B的结合，试图在高效率和线性度之间找到平衡。在Class-AB中，输出晶体管在信号的某些部分是共同导通的，但在较小的信号时可以表现得像Class-A，而在大信号时则更像Class-B。这种设计在许多应用中广泛使用，以综合考虑功率效率和信号失真的问题。