提到氮化鎵功率管，電源工程師們都知道它的速度快，頻帶高，但還是會(huì)覺得有些陌生。其實(shí)氮化鎵工藝早就在LED和射頻晶體管領(lǐng)域得到了多年的應(yīng)用。
氮化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料（WBG），與硅等傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，它能夠讓器件在更高的飽和電子遷移率、頻率和電壓下運(yùn)行。氮化鎵和硅的截面圖，硅是垂直型的結(jié)構(gòu)，氮化鎵是平面型的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)的不同。硅的帶隙是1.1電子伏特，氮化鎵是3.4電子伏特。氮化鎵已經(jīng)在60年代應(yīng)用于LED產(chǎn)品中，只是在電源類產(chǎn)品中在近幾年被慢慢市場開始接受。
對于英飛凌公司，廣大工程師們應(yīng)該都有所耳聞。英飛凌是德國原西門子半導(dǎo)體集團(tuán)獨(dú)立上市公司。目前是全球十大半導(dǎo)體制造商之一，同時(shí)也是目前唯一覆蓋普通硅、碳化硅、氮化鎵三種工藝的功率管的公司。電源網(wǎng)也是很榮幸這次來給英飛凌的新產(chǎn)品氮化鎵CoolGan功率器件進(jìn)行測評，下面跟著電源網(wǎng)深圳實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人黃亭(Javike)，了解下英飛凌CoolGaN™ 產(chǎn)品（IGO60R070）實(shí)測，是如何打開高效能源之門的鑰匙？
一、在高頻下的應(yīng)用該如何設(shè)計(jì)，CoolGaN™該如何驅(qū)動(dòng)比較合適呢？
我們先來對比一下基于普通硅工藝、碳化硅、氮化鎵3種工藝的功率管的驅(qū)動(dòng)特性：
上圖測試的是英飛凌的一款CoolMOS™（IPW60R040C7）的IV曲線，設(shè)置Vgs在-2V至+5V下的Vds為 0-21V下的Ids曲線。從圖中可以看出， 在Vds為15V左右時(shí)，Vgs>=4V進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。
再看看碳化硅工藝的功率管：
硅功率管在Vds=20V、Vgs=4V時(shí)還未能進(jìn)入完全導(dǎo)通的狀態(tài)，但在Vds=2V左右時(shí)，Vgs=4.5V就進(jìn)入完全導(dǎo)通的狀態(tài)了。
再看看氮化鎵工藝CoolGaN™ IGO60R070D1：
從圖中可以看出，在Vgs從-2V到+5V整個(gè)范圍內(nèi)，CoolGaN™ IGO60R070D1均未完全導(dǎo)通，即使在VDS=21V、Vgs=5V時(shí)，Ids也不到300uA。
這是為什么呢？
作為電源工程師，大家都知道Mosfet和Sicfet的規(guī)格書都會(huì)提供類似的IV曲線，先來看看現(xiàn)在測試的這顆英飛凌的IPW60R040C7 Mosfet的規(guī)格書:IPW60R040C7。
IPW60R040C7的規(guī)格書中明確的給出了不同Vgs電壓下的IV曲線，不同的是原廠采用的是更大電流的儀表來進(jìn)行測量的。我們再來看一下這款CoolGaN™ IGO60R070D1的規(guī)格書：IGT60R070D1，然而規(guī)格書中并未給出不同Vgs電壓下的IV曲線，但是給出了不同Igs電流下的IV曲線：
我們知道Mosfet和Sicfet都屬于電壓型控制功率器件。那么，CoolGaN™是屬于電流型控制器件嗎？
我們先看看IGO60R070D1規(guī)格書中給出的電流條件：
接下來測試一下不同Igs下IGO60R070D1的IV曲線：
規(guī)格書給出的驅(qū)動(dòng)所需要的最大平均電流是20mA，設(shè)置Vgs電壓限制為5V，測試Igs電流從0.1mA到15mA的IV曲線如上圖。從圖中可以看出，Igs和Ids的線性關(guān)系還是比較好的，在Igs=14mA、Vds>15V進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)，在Igs=15mA、Vds>11V進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。好吧，這能說明CoolGaN™是電流型控制器件嗎？
二、對比一下Mosfet、Sicfet、CoolGaN™驅(qū)動(dòng)的IV曲線
設(shè)定Vds為15-20V，測試Vgs電壓從-5V到+5V時(shí)的Igs電流。上圖是IPW60R040C7 Mosfet的驅(qū)動(dòng)電壓和電流的IV曲線。
從圖中可以看出，IPW60R040C7只有Vgs在Mosfet的Vth 附近才會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的電流，其實(shí)也就是驅(qū)動(dòng)所需要的電流，但這個(gè)電流最大也不超過0.7uA。遠(yuǎn)小于CoolGaN™ 的15mA。
再看看Sicfet驅(qū)動(dòng)的IV曲線：
同樣是設(shè)定Vds為15-20V，測試Vgs電壓從-5V到+5V時(shí)的Igs電流。Sicfet的驅(qū)動(dòng)IV曲線和Mosfet相差還是比較大的，在Vgs為-5V時(shí)的漏電流相對較大，達(dá)到了0.35uA,大于-4V以上就很小了，一直到+5V時(shí)完Sicfet全開通都沒有出現(xiàn)較大的電流，基本在10nA以內(nèi)。再來看看CoolGaN™ IGO60R070D1，既然CoolGaN™是電流型控制，那么我們來看看測試不同Igs下驅(qū)動(dòng)Vgs的電壓的IV曲線：設(shè)定Vds為15-20V，測試Igs電流從-15mA到+15mA時(shí)的Vgs電壓的IV曲線。
從圖中可以看出，CoolGaN™ IGO60R070D1正負(fù)電流驅(qū)動(dòng)的對稱性非常好，而且趨勢非常明顯，在電流滿足的情況下，需要的Vgs電壓也非常低?？梢远xCoolGaN™為電流型控制功率器件了嗎？不過其需要的驅(qū)動(dòng)電流也并不大，只需要不到20mA。
三、測評正式開啟，是如何打開高效能源之門的鑰匙？
在電路設(shè)計(jì)中，弱電流信號往往比弱電壓信號的抗干擾能力更強(qiáng)。所以，CoolGaN™在電源中應(yīng)用會(huì)比Mosfet和Sicfet更穩(wěn)定和可靠。
不過在高頻開關(guān)電源的應(yīng)用中，還是需要按常規(guī)做法做到驅(qū)動(dòng)回路盡量短小，將驅(qū)動(dòng)線路中的寄生電感降低至最小，畢竟電感會(huì)抑制電流的上升。同時(shí)，由于CoolGaN™的導(dǎo)通域值比較低，所以在高DV/DT和高DI/DT電路中，還是有必要在開關(guān)瞬間加入負(fù)壓關(guān)斷來抑制干擾。
建議：采用英飛凌推出的CoolGaN™ 專用驅(qū)動(dòng)芯片1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H，其不同于傳統(tǒng)功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)IC，這個(gè)針對英飛凌CoolGaN™量身定制的柵極驅(qū)動(dòng)IC可提供負(fù)輸出電壓，以快速關(guān)斷氮化鎵開關(guān)。
在開關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，GaN EiceDRIVER IC可以使柵極電壓穩(wěn)定保持為零。
這可保護(hù)氮化鎵開關(guān)不受噪音導(dǎo)致誤接通的影響，哪怕是首脈沖，這對于開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健運(yùn)行至關(guān)重要。氮化鎵柵極驅(qū)動(dòng)IC可實(shí)現(xiàn)恒定的GaN HEMT開關(guān)轉(zhuǎn)換速率，幾乎不受工作循環(huán)或開關(guān)速度影響。這可確保運(yùn)行穩(wěn)健性和很高能效，大大縮短研發(fā)周期。
它集成了電隔離，可在硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健運(yùn)行。它還可在開關(guān)電源的一次側(cè)和二次側(cè)之間提供保護(hù)，并可根據(jù)需要在功率級與邏輯級之間提供保護(hù)。
這款就是采用英飛凌CoolGaN™ IGO60R070D1和專用驅(qū)動(dòng)IC 1EDF5673K的半橋Demo。下面采用這款Demo來實(shí)測一下CoolGaN™的效果。
首先，按照英飛凌原廠的參數(shù)接入一個(gè)12uH的電感形成一個(gè)同步Buck的電源。4個(gè)1GHz帶寬的普通無源探頭分別測量信號發(fā)生器輸入的1.5MHz時(shí)鐘信號、經(jīng)過門電路生成2路互補(bǔ)的PWM信號送到1EDF5673K的輸入端的信號、1EDF5673K輸出給IGO60R070D1的下管驅(qū)動(dòng)信號；1個(gè)1GHz帶寬的有源中壓差分探頭測量另1個(gè)1EDF5673K輸出給IGO60R070D1上管的驅(qū)動(dòng)信號；2個(gè)200MHz的有源差分探頭分別測量IGO60R070D1上下管的Vds電壓波形，1個(gè)120MHz帶寬的電流探頭測量電感電流。
再看看板子背面的IGO60R070D1：
加上散熱器再來個(gè)特寫：
來看看測試波形：
從波形中可以看出：
1通道為信號發(fā)生器注入的1.5MHz時(shí)鐘信號；
2、3通道為采用邏輯門生成的2路交錯(cuò)的PWM信號；
4、5通道為下管和上管的Vgs驅(qū)動(dòng)電壓波形；
6、7通道為下管和上管的Vds電壓波形；
8通道為電感電流波形。
從波形中可以看出：
1EDF5673K輸出給IGO60R070D1的驅(qū)動(dòng)信號是包含負(fù)壓的，而且這個(gè)負(fù)壓并不是持續(xù)關(guān)斷CoolGaN™的，而是等另一個(gè)管關(guān)斷后會(huì)回升到0V來保持的，這樣一來，既避免因?yàn)镈V/DT和DI/DT導(dǎo)致的干擾誤動(dòng)作，也進(jìn)一步降低了關(guān)斷維持的損耗。所需要的驅(qū)動(dòng)電壓很低，而且測得的驅(qū)動(dòng)信號上升沿非?？欤挥?nS左右。Vds電壓可能是因?yàn)椴罘痔筋^測量線長的原因，有點(diǎn)震蕩。
將Vds測量通道的帶寬限制到20MHz就很漂亮了。另外，采用這款半橋的Demo還可以接成Boost,甚至LLC拓?fù)溥M(jìn)行測試。
上圖就是采用這款Demo做的開環(huán)半橋LLC電源，穩(wěn)定工作頻率達(dá)到了4.5MHz?；贑oolGaN™的更高頻率等你來挑戰(zhàn)。。。
四、實(shí)測一下基于英飛凌CoolGaN™的無橋PFC電源
工作條件：
輸入電壓：AC 85-265V 50/60HZ
輸出電壓：DC 390V
輸出功率：2500W （低壓輸入時(shí)功率降額）
更多詳細(xì)數(shù)據(jù)請參考英飛凌的應(yīng)用文檔：2500 W full-bridge totem-pole power factor correction using CoolGaN™
pdf鏈接地址：http://www.e-ticket.cn/upload/community/2019/06/17/1560737423-67189.pdf
從實(shí)物來看，不同于很多其他品牌的DEMO的地方，很多其他品牌DEMO在為了襯托其高功率密度時(shí)，鉚足了勁的跑高頻，沒有做EMI方面的考慮，甚至連EMI部分的電路都直接沒有，英飛凌這款基于CoolGaN™的無橋PFC的EMI部分占據(jù)了大約1/4的空間，先來看看他的EMI的表現(xiàn)：
按照EN55022的標(biāo)準(zhǔn)來看，基于CoolGaN™的無橋PFC的傳導(dǎo)表現(xiàn)還是非常棒的。余量完全滿足相對嚴(yán)格的要求（6dB以上余量）。
再來看看他的效率表現(xiàn)：
熱機(jī)1小時(shí)后，在15%負(fù)載以上效率均在99%左右，輸出860W時(shí)效率高達(dá)99.48%。2510W時(shí)效率仍高達(dá)99%，損耗僅僅只有25.1W，溫升不用測了的節(jié)奏。
附上電路圖：
這款基于CoolGaN™的無橋PFC采用的是比較新的圖騰柱式PFC拓?fù)?，CoolGaN™工藝決定了其沒有寄生二極管，電流可以雙向流動(dòng)，而且完全沒有任何反向恢復(fù)電荷，這也是傳統(tǒng)的Mosfet和Sicfet無法比擬的，所以圖騰柱式PFC與CoolGaN™是完美的設(shè)計(jì)組合。
再來看看工作的波形：
1、2通道為CoolGaN™ IGO60R070D1在65KHz開關(guān)頻率下Vds電壓波形；
3、4通道為CoolMOS™ IPT65R033G7在50Hz開關(guān)頻率下的Vds電壓波形；
5、7通道為輸入電壓和電流波形；
8 通道為PFC電感電流的波形。
這款基于CoolGaN™的無橋PFC采用的是英飛凌的模擬控制器ICE3PCS01G，工作在CCM狀態(tài)，能獲得更低的紋波電流和更高的功率因數(shù)以及更好的THD。
當(dāng)然，畢竟還是硬開關(guān)的工作狀態(tài)，所以對開關(guān)管的可靠性要求也很高，特別是2顆工作在高頻65KHz下的CoolGaN™ IGO60R070D1功率管。
而CoolGaN™ IGO60R070D1不僅開關(guān)速度快，而且沒有反向恢復(fù)損耗的問題，成為圖騰柱式CCM無橋PFC的理想應(yīng)用器件。
展開看看：
輸入電流的正弦波非常漂亮，開關(guān)沒有任何尖峰。
再來看看CoolGaN™在ZVS軟開關(guān)下的表現(xiàn)：
這是一款基于英飛凌CoolGaN™設(shè)計(jì)的3600W全橋LLC諧振電源。
工作條件：
輸入電壓：DC 360-400V
輸出電壓：DC 52V（Typ）
輸出電流：69A
輸出功率：3600W
從圖中可以看到變換器采用了4顆主磁性元器件。
結(jié)合實(shí)物圖，從架構(gòu)圖中可以看出，初級的4個(gè)開關(guān)管采用的是英飛凌CoolGaN™ IGO60R070D1，每個(gè)開關(guān)管采用2顆IGO60R070D1并聯(lián)，值得一提的是初級的功率管沒有散熱器，每顆功率管只有一小片0.5*0.5mil的銅排焊接在功率管旁邊輔助散熱。變壓器采用2顆直徑僅26mm的鐵氧體磁芯繞制，初級串聯(lián)，次級并聯(lián)，諧振腔內(nèi)的Lr和Lm均采用的外置，Lr采用的T106-2的磁環(huán)繞制，Lm采用PQ2625的鐵氧體磁芯繞制。次級的同步整流管安裝在鋁制散熱器下面，采用的是英飛凌OptiMOS™ 5系列的CoolMos BSC026N08NS5?？刂破鞑捎玫挠w凌推出的LLC專用控制器ICE2HS01G。
接下來實(shí)測一下看看：
由于我的高壓直流電源只能輸出5A左右的電流（OCP=5.250A），在390V輸入的條件下，最大輸出測試也就2000W左右。根據(jù)應(yīng)用設(shè)計(jì)文檔里的操作減去了輔助電源及散熱風(fēng)扇的13W功耗，測試得到的效率曲線。從效率曲線圖中可以看出，在2000W左右時(shí)效率非常接近99%.也就是2000W時(shí)的總損耗才20W，而且這個(gè)損耗很大一部分是在次級的大電流上，所以CoolGaN™ IGO60R070D1基本不需要散熱器的節(jié)奏。在20%負(fù)載以上效率均超過98%。
在看看工作在2000W時(shí)的工作波形：
說明：
1、2通道為初級全橋開關(guān)管CoolGaN™ IGO60R070D1其中1組上下橋臂的Vds波形；
3、4通道為次級同步整流管的Vds波形；
6 通道為整個(gè)諧振腔的諧振電流波形（Lr位置）；
7 通道為勵(lì)磁電感Lm的電路波形；
8通道為變壓器的電流波形。
這款DEMO的設(shè)計(jì)開關(guān)頻率為180KHz-1MHz，諧振頻率在350KHz左右，功率密度高達(dá)160W/in3。在2000W左右時(shí)的開關(guān)頻率約280KHz左右。遺憾的是我暫時(shí)沒有條件測試到3600W滿載，期待你的體驗(yàn)哦。
六．總結(jié)
CoolGaN™將成為打開高效能源之門的鑰匙，其優(yōu)良的特性，包括無寄生體二極管、無反向恢復(fù)、可以雙向?qū)?，可以?shí)現(xiàn)更多完美的拓?fù)湟约案哳l和高效的電源設(shè)計(jì)。相比MOSFET和SICFET，還具備更好的抗干擾性能和更低的開關(guān)損耗。配合英飛凌的CoolGaN™專用驅(qū)動(dòng)1EDF5673K可以大大的簡化設(shè)計(jì)，非常期待您的體驗(yàn)和應(yīng)用。
測評講解就到這里，如果你對此測評感興趣，可以問我索要一些資料。我立即郵件發(fā)送給你。