Designing a GaN Gate Driver with Compact S Parameter Based Switching Model MHz DC DC Converter. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) 610_MS_Thesis_Khoutal_Taqi.pdf Restricted to Repository staff only until 1 May 2027. Download (16MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة تطوير والتحقق من إطار لاستخراج معاملات أجهزة القدرة ذات الفجوة العريضة (WBG) بطريقة موجهة للتحويل، مع التركيز على ترانزستورات GaN HEMT واستخدام SiC MOSFET كمعايير مقارنة. يعتمد الإطار على حالتي تشغيل: حالة التوصيل (ON) التي تهيمن عليها RDS,on، وحالة الإيقاف (OFF) التي تهيمن عليها Cgd وCgs وCoff. تُستخرج المعاملات بتحليل AC وقياسات S-parameters باستخدام محلل شبكات متجهة (VNA) ولوحات PCB مخصصة لأربعة أجهزة: C3M0060065K وC3M0160120D وGS66504B وEPC2010C. تتراوح قيم RDS,on بين 18.1 mΩ و151 mΩ، وقيم Coff بين 170 pF و1350 pF. ترفع بيئة القياس 50 Ω قيم RDS,on المستخرجة بمقدار 7 إلى 56 ضعفاً، في حين يُعدّ استخراج Coff الأكثر موثوقية بتوافق يصل إلى 2% لجهاز GS66504B. وتُوظَّف قيم Cgd وCgs لتوجيه اختيار مكثف اقتران خارجي للحد من التشغيل الخاطئ الناجم عن تأثير ميلر، مع التحقق التجريبي على محول buck يعمل بتردد 1 MHz وجهد دخل 48 V وخرج 10.56 V. أدى مكثف 1 nF المطابق للجهاز إلى تقليل فرط جهد عقدة التحويل بنحو 25% والهبوط السلبي بنحو 58% مع الحفاظ على تنظيم الجهد المستمر، مما يُثبت فاعلية توصيف S-parameters في نمذجة أجهزة القدرة ذات الفجوة العريضة وتصميم المحولات.

English Abstract

Wide-bandgap (WBG) power devices, particularly gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs), are increasingly used in high-frequency power converters due to their low parasitic charge and fast switching speed. This thesis develops and validates a switching-oriented parameter-extraction framework for GaN HEMTs, with selected silicon carbide (SiC) MOSFETs as benchmarks. The power FET is represented by two states: an ON state governed by RDS,on and an OFF state governed by Cgd, Cgs, and Coff. Parameters are extracted via AC-analysis simulation and S-parameter VNA measurements using custom PCB fixtures for four devices: C3M0060065K, C3M0160120D, GS66504B, and EPC2010C. AC-analysis yields RDS,on from 18.1 mΩ to 151 mΩ and Coff from 170 pF to 1350 pF. The 50 Ω VNA environment inflates extracted RDS,on by 7–56×. Coff is the most reliable result, with AC-analysis, simulation, and experiment agreeing to within 2% for GS66504B. The extracted Cgd and Cgs guide coupling-capacitor selection for Miller-induced false-turn-on mitigation, validated on a 48 V-to-10.56 V, 1 MHz GS66504B buck converter. A device-matched 1 nF capacitor reduces switching-node over-voltage by approximately 25% and undershoot by approximately 58% while preserving DC regulation, demonstrating that S-parameter-based extraction can support compact WBG device modeling and parameter-guided converter design.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Hussam Al-shammari,
Thesis Committee Members:	Mohamed Abido, Yaqub Mahnashi,
Depositing User:	KHOUTAL TAQI
Date Deposited:	07 Jun 2026 11:00
Last Modified:	07 Jun 2026 11:00
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144523