Neues elektro-thermisches Modell zur Beschreibung von GaN-HEMT-Leistungstransistoren
Abb. 1: GaN-HEMT im Gehäuse (ohne Deckel).
Abb. 2: Schematische Darstellung des elektrothermischen Transistormodells mit 11 Zellen.
Abb. 3: Simulierte HF-Ausgangsleistung der einzelnen Barrenzellen in Abhängigkeit von der HF-Eingangsleistung a) ohne und b) mit Verkopplung der Ein- und Ausgänge der Zellen über ohmsche Widerstände.
Die Entwicklung von GaN-Mikrowellen-Leistungstransistoren bildet einen Forschungsschwerpunkt des FBH. Derartige Transistoren bestehen aus mehreren Zellen, die sich wiederum aus mehreren Fingern zusammensetzen; sie sind in ein Gehäuse eingelötet (Abb. 1). Somit handelt es sich um relativ große und komplexe Gebilde. Die Frage, in welchem Maße die einzelnen Zellen gleichphasig betrieben werden und inwiefern die Leistungsverteilung über die einzelnen Zellen konstant bleibt, ist entscheidend für die erzielbare Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad. Um das Zusammenwirken der einzelnen Zellen analysieren und damit optimieren zu können, haben wir ein verteiltes elektrothermisches nichtlineares Netzwerkmodell für unsere Leistungstransistoren entwickelt.
Das Barrenmodell besteht aus einem Gehäusemodell, einem Netzwerk zur Beschreibung der thermischen Verkopplung der Einzelzellen und den Chipmodellen der Transistorzellen (Abb. 2). Das Gehäusemodell wurde mittels elektromagnetischer Simulation gewonnen. Das thermische Modell entstand aus FEM- (Finite-Elemente-Methode) Rechnungen der Barrenstruktur. Die einzelnen Zellen des Barrens werden jeweils durch ein nichtlineares Großsignal-Transistormodell nachgebildet. Diese Verknüpfung von Transistorchipmodell, Gehäusemodell und thermischer Verkopplung der Transistorzellen ist neu.
Mit dem so gewonnenen Barrenmodell sind Gleichstrom- und Hochfrequenz-Analysen möglich. Man kann z.B. die HF-Leistungsverteilung, die Verlustleistungsverteilung oder die Temperaturverteilung im Barren berechnen. Aus der Bestimmung des optimalen Abschlusswiderstandes für jede einzelne Zelle können Hinweise zur Verbesserung der Zusammenschaltung der Zellen im Barren abgeleitet werden. Die Ermittlung von eventuellen Instabilitäten innerhalb des Leistungstransistors bildet einen weiteren wichtiger Einsatzzweck des neu geschaffenen Modells. Die bisher üblichen Modelle haben das nicht ermöglicht.
Als Beispiel ist in Abb. 3 dargestellt, wie sich die HF-Ausgangsleistungen der einzelnen Zellen mit steigender HF-Leistung am Eingang des Barrens entwickeln. Zelle 1 liegt dabei außen, Zelle 6 ist die Mittelzelle (s. Abb. 1 und 2). Bei einfacher Zusammenschaltung der Zellen im Gehäuse (siehe Abb. 3a) ist die Ausgangsleistung der einzelnen Zellen sehr unterschiedlich, interne Schwingungen zwischen den Zellen behindern die Leistungsverstärkung des Barrens insgesamt. Durch Verkopplung der Zellen mit ohmschen Widerständen wird die Schwingung unterdrückt und die Leistung gleichmäßiger auf die Zellen verteilt (Abb. 3b). Gesamtausgangsleistung und Wirkungsgrad des Barrens steigen dadurch nahezu auf das Doppelte.
Publikation:
F. Schnieder, O. Bengtsson, F.-J. Schmückle, M. Rudolph, and W. Heinrich, "Simulation of RF power distribution in a packaged GaN power transistor using an electro-thermal large-signal description", accepted for publication in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2013.
FBH-Forschung: 29.05.2013