打开高效能源之门的钥匙——英飞凌氮化镓CoolGan功率器件测评

原创:?电源网-javike?电源网订阅号

文 /?javike(荣誉版主

本文选自电源网论坛--打开高效能源之门的钥匙——英飞凌氮化镓CoolGan功率器件测评

提到氮化镓功率管,电源工程师们都知道它的速度快,频带高,但还是会觉得有些陌生。其实氮化镓工艺早就在LED和射频晶体管领域得到了多年的应用。

氮化镓是一种宽禁带半导体材料(WBG),与硅等传统的半导体材料相比,它能够让器件在更高的饱和电子迁移率、频率和电压下运行。氮化镓和硅的截面图,硅是垂直型的结构,氮化镓是平面型的结构,在结构上有本质的不同。硅的带隙是1.1电子伏特,氮化镓是3.4电子伏特。氮化镓已经在60年代应用于LED产品中,只是在电源类产品中在近几年被慢慢市场开始接受。

英飞凌是目前唯一覆盖普通硅、碳化硅、氮化镓三种工艺的功率管的公司。提到英飞凌,大家都知道他的CoolMOS? Mosfet。笔者最近拿到了英飞凌推出的CoolGaN? 产品——IGO60R070,下面分享给大家。

image.png

CoolGaN?能工作在更高的频率下,那么,在高频下的应用该如何设计呢?CoolGaN?该如何驱动比较合适呢?

下面我们先来对比一下基于普通硅工艺、碳化硅、氮化镓3种工艺的功率管的驱动特性:

image.png

上图测试的是英飞凌的一款CoolMOS?(IPW60R040C7)的IV曲线,设置Vgs在-2V至+5V下的Vds为0-21V下的Ids曲线。

从图中可以看出,在Vds为15V左右时,Vgs>=4V进入完全导通状态。

再看看碳化硅工艺的功率管:

image.png

碳化硅功率管在Vds=20V、Vgs=4V时还未能进入完全导通的状态,但在Vds=2V左右时,Vgs=4.5V就进入完全导通的状态了。

再看看氮化镓工艺的CoolGaN? IGO60R070D1:

image.png

从图中可以看出,在Vgs从-2V到+5V整个范围内,CoolGaN? IGO60R070D1均未完全导通,即使在VDS=21V、Vgs=5V时,Ids也不到300uA。

这是为什么呢?

作为电源工程师,大家都知道Mosfet和Sicfet的规格书都会提供类似的IV曲线,先来看看现在测试的这颗英飞凌的IPW60R040C7 Mosfet的规格书:IPW60R040C7

image.png

我们再来看一下这款CoolGaN? IGO60R070D1的规格书:IGT60R070D1,然而规格书中并未给出不同Vgs电压下的IV曲线,但是给出了不同Igs电流下的IV曲线:

image.png

我们知道Mosfet和Sicfet都属于电压型控制功率器件,那么,CoolGaN?是属于电流型控制器件吗?

我们先看看IGO60R070D1规格书中给出的电流条件:

image.png

接下来测试一下不同Igs下IGO60R070D1的IV曲线:

image.png

规格书给出的驱动所需要的最大平均电流是20mA,设置Vgs电压限制为5V,测试Igs电流从0.1mA到15mA的IV曲线如上图。

从图中可以看出,Igs和Ids的线性关系还是比较好的,在Igs=14mA、Vds>15V进入完全导通状态,Igs=15mA、Vds>11V进完全导通状态。

好吧,这能说明CoolGaN?是电流型控制器件吗?? ?

接下来再对比一下Mosfet、Sicfet、CoolGaN?驱动的IV曲线:

image.png

设定Vds为15-20V,测试Vgs电压从-5V到+5V时的Igs电流。上图是IPW60R040C7 Mosfet的驱动电压和电流的IV曲线。

从图中可以看出,IPW60R040C7只有Vgs在Mosfet的Vth 附近才会出现一个较大的电流,其实也就是驱动所需要的电流,但这个电流最大也不超过0.7uA。远小于CoolGaN? 的15mA。

再看看Sicfet驱动的IV曲线:

image.png

同样是设定Vds为15-20V,测试Vgs电压从-5V到+5V时的Igs电流。

Sicfet的驱动IV曲线和Mosfet相差还是比较大的,在Vgs为-5V时的漏电流相对较大,达到了0.35uA,大于-4V以上就很小了,一直到+5V时完Sicfet全开通都没有出现较大的电流,基本在10nA以内。

再来看看CoolGaN? IGO60R070D1,既然CoolGaN?是电流型控制,那么我们来看看测试不同Igs下驱动Vgs的电压的IV曲线:

设定Vds为15-20V,测试Igs电流从-15mA到+15mA时的Vgs电压的IV曲线:

image.png

从图中可以看出,CoolGaN? IGO60R070D1正负电流驱动的对称性非常好,而且趋势非常明显,在电流满足的情况下,需要的Vgs电压也非常低。

可以定义CoolGaN?为电流型控制功率器件了吗?不过其需要的驱动电流也并不大,只需要不到20mA。

在电路设计中我们知道,弱电流信号往往比弱电压信号的抗干扰能力更强,所以,CoolGaN?在电源中应用会比Mosfet和Sicfet更稳定和可靠。

不过在高频开关电源的应用中,还是需要按常规做法做到驱动回路尽量短小,将驱动线路中的寄生电感降低至最小,毕竟电感会抑制电流的上升。

同时,由于CoolGaN?的导通域值比较低,所以在高DV/DT和高DI/DT电路中,还是有必要在开关瞬间加入负压关断来抑制干扰。

建议采用英飞凌推出的CoolGaN? 专用驱动芯片1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H,其不同于传统功率MOSFET的栅极驱动IC,这个针对英飞凌CoolGaN?量身定制的栅极驱动IC可提供负输出电压,以快速关断氮化镓开关。

在开关应处于关闭状态的整个持续时间内,GaN EiceDRIVER IC可以使栅极电压稳定保持为零。这可保护氮化镓开关不受噪音导致误接通的影响,哪怕是首脉冲,这对于开关电源实现强健运行至关重要。

氮化镓栅极驱动IC可实现恒定的GaN HEMT开关转换速率,几乎不受工作循环或开关速度影响。这可确保运行稳健性和很高能效,大大缩短研发周期。它集成了电隔离,可在硬开关和软开关应用中实现强健运行。它还可在开关电源的一次侧和二次侧之间提供保护,并可根据需要在功率级与逻辑级之间提供保护。

image.png

这款就是采用英飞凌CoolGaN? IGO60R070D1和专用驱动IC 1EDF5673K的半桥Demo。下面采用这款Demo来实测一下CoolGaN?的效果。

image.png

首先,按照英飞凌原厂的参数接入一个12uH的电感形成一个同步Buck的电源。

4个1GHz带宽的普通无源探头分别测量信号发生器输入的1.5MHz时钟信号、经过门电路生成2路互补的PWM信号送到1EDF5673K的输入端的信号、1EDF5673K输出给IGO60R070D1的下管驱动信号;1个1GHz带宽的有源中压差分探头测量另1个1EDF5673K输出给IGO60R070D1上管的驱动信号;2个200MHz的有源差分探头分别测量IGO60R070D1上下管的Vds电压波形,1个120MHz带宽的电流探头测量电感电流。??

image.png

再看看板子背面的IGO60R070D1:

image.png

加上散热器再来个特写:

image.png

来看看测试波形:

image.png

1通道为信号发生器注入的1.5MHz时钟信号;

2、3通道为采用逻辑门生成的2路交错的PWM信号;

4、5通道为下管和上管的Vgs驱动电压波形;

6、7通道为下管和上管的Vds电压波形;

8通道为电感电流波形。

image.png

从波形中可以看出:

1EDF5673K输出给IGO60R070D1的驱动信号是包含负压的,而且这个负压并不是持续关断CoolGaN?的,而是等另一个管关断后会回升到0V来保持的,这样一来,既避免因为DV/DT和DI/DT导致的干扰误动作,也进一步降低了关断维持的损耗。所需要的驱动电压很低,而且测得的驱动信号上升沿非常快,只有7nS左右。

Vds电压可能是因为差分探头测量线长的原因,有点震荡。

image.png

将Vds测量通道的带宽限制到20MHz就很漂亮了。

另外,采用这款半桥的Demo还可以接成Boost,甚至LLC拓扑进行测试。

image.png

上图就是采用这款Demo做的开环半桥LLC电源,稳定工作频率达到了4.5MHz。

再实测一下基于英飞凌CoolGaN?的无桥PFC电源:

image.png

工作条件:

输入电压:AC 85-265V 50/60HZ

输出电压:DC 390V

输出功率:2500W (低压输入时功率降额)

更多详细数据请参考英飞凌的应用文档:

image.png

从实物来看,不同于很多其他品牌的DEMO的地方,很多其他品牌DEMO在为了衬托其高功率密度时,铆足了劲的跑高频,没有做EMI方面的考虑,甚至连EMI部分的电路都直接没有,英飞凌这款基于CoolGaN?的无桥PFC的EMI部分占据了大约1/4的空间,先来看看他的EMI的表现:

image.png

按照EN55022的标准来看,基于CoolGaN?的无桥PFC的传导表现还是非常棒的。余量完全满足相对严格的要求(6dB以上余量)。再来看看他的效率表现:

image.png

热机1小时后,在15%负载以上效率均在99%左右,输出860W时效率高达99.48%。2510W时效率仍高达99%,损耗仅仅只有25.1W,温升不用测了的节奏。

附上电路图:

image.png

这款基于CoolGaN?的无桥PFC采用的是比较新的图腾柱式PFC拓扑,CoolGaN?工艺决定了其没有寄生二极管,电流可以双向流动,而且完全没有任何反向恢复电荷,这也是传统的Mosfet和Sicfet无法比拟的,所以图腾柱式PFC与CoolGaN?是完美的设计组合。

再来看看工作的波形:

image.png

1、2通道为CoolGaN? IGO60R070D1在65KHz开关频率下Vds电压波形;

3、4通道为CoolMOS? IPT65R033G7在50Hz开关频率下的Vds电压波形;

5、7通道为输入电压和电流波形;

8 通道为PFC电感电流的波形。

这款基于CoolGaN?的无桥PFC采用的是英飞凌的模拟控制器ICE3PCS01G,工作在CCM状态,能获得更低的纹波电流和更高的功率因数以及更好的THD。

当然,毕竟还是硬开关的工作状态,所以对开关管的可靠性要求也很高,特别是2颗工作在高频65KHz下的CoolGaN? IGO60R070D1功率管。

而CoolGaN? IGO60R070D1不仅开关速度快,而且没有反向恢复损耗的问题,成为图腾柱式CCM无桥PFC的理想应用器件。

展开看看:

image.png

输入电流的正弦波非常漂亮,开关没有任何尖峰。

相关资料:

1)CoolGaN? IGO60R070D1的规格书资料下载

https://www.dianyuan.com/download/60725.html

2)英飞凌的应用文档下载:

https://www.dianyuan.com/download/60726.html







你,确定要删除这条记录吗?