Switching transient and electro-thermal coupling modeling of GaN HEMTs considering reverse conduction characteristics and crosstalk

Enhancement-mode gallium nitride high electron mobility transistors (GaN HEMTs) are pivotal for high-frequency converters. However, their ultra-fast switching speeds and unique two-dimensional electron gas (2DEG) conduction introduce challenges: complex switching transients, phase-leg crosstalk, unique sustained oscillation instability, and inaccurate junction temperature predictions during operation. This thesis systematically conducts research on GaN HEMTs, focusing on refined switching transient modeling, sustained oscillation analysis, and electro-thermal coupling evaluation. First, a refined switching transient analytical model is proposed. Deviating from traditional body diode approximations, it incorporates the device's true bidirectional conduction structure, nonlinear parasitic parameters, and phase-leg crosstalk. Experimental results show relative errors for switching time and loss predictions within 7%, and crosstalk peak errors below 1.3 V. Second, the unique sustained oscillation phenomenon in GaN HEMT half-bridge circuits is investigated. An analytical model is developed based on the reverse operating regions switching mechanism affected by displacement current, induced voltage coupling, and reverse transconductance. This model accurately reconstructs time-domain waveforms, achieving a frequency relative error under 6.5% and a boundary error of only 2 V. Finally, an electro-thermal coupling model for GaN HEMTs is proposed and validated using a synchronous Buck converter. By integrating an analytical loss decomposition model with a Cauer thermal network, closed-loop iterative solutions are achieved. Experimental results demonstrate a steady-state junction temperature prediction error within 5 °C and clarify the distinct primary loss components for active and passive switches. In summary, this thesis provides a progressive theoretical foundation and engineering guidance for switching behavior analysis, safe operating area (SOA) definition, loss assessment, and junction temperature prediction of GaN HEMTs.

I transistor GaN HEMT sono diventati fondamentali per i convertitori ad alta frequenza, richiesti in applicazioni avanzate come i data center a 800 V. Tuttavia, la loro altissima velocità di commutazione e il peculiare meccanismo di conduzione del gas elettronico bidimensionale (2DEG) causano sfide complesse: transitori difficili da gestire, diafonia (crosstalk), instabilità da oscillazioni sostenute e previsioni imprecise della temperatura di giunzione. Questa tesi analizza sistematicamente i GaN HEMT, sviluppando modelli analitici avanzati per i transitori di commutazione, per le oscillazioni sostenute nei circuiti half-bridge e per l'accoppiamento elettrotermico. In primo luogo, viene proposto un modello analitico dettagliato del transitorio di commutazione. Superando le approssimazioni tradizionali dei diodi intrinseci, il modello incorpora la reale struttura di conduzione bidirezionale, i parametri parassiti non lineari e l'effetto della diafonia. I risultati sperimentali mostrano che i calcoli corrispondono perfettamente alle misurazioni: gli errori per tempi e perdite di commutazione sono inferiori al 7% e per i picchi di diafonia inferiori a 1.3 V. In secondo luogo, si indaga il problema della peculiare oscillazione sostenuta nei circuiti half-bridge. È stato sviluppato un modello analitico basato sul meccanismo di feedback positivo ad anello chiuso formato da corrente di spostamento, tensione indotta e transconduttanza inversa. Questo modello ricostruisce accuratamente le forme d'onda nel dominio del tempo, ottenendo un errore di frequenza inferiore al 6.5% e un errore di confine di soli 2 V. Infine, viene proposto un modello di accoppiamento elettrotermico, validato tramite un convertitore Buck sincrono. Integrando un modello analitico di decomposizione delle perdite con una rete termica di Cauer, si ottengono soluzioni iterative ad anello chiuso. L'errore di previsione della temperatura di giunzione a regime è inferiore a 5 °C, chiarendo inoltre con precisione che le perdite principali per l'interruttore attivo sono di commutazione e conduzione, mentre per il comportamento passivo sono di tempo morto e conduzione. In sintesi, questa tesi fornisce una base teorica e una guida per l'analisi del comportamento di commutazione, la definizione della SOA (Safe Operating Area), l'analisi delle perdite e la previsione della temperatura nei convertitori ad alta frequenza basati su GaN HEMT.