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打开高效能源之门的钥匙——英飞凌氮化镓CoolGan功率器件测评

  • 2019-06-13 10:20
  • javike

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  • 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。

    T1

    T2




     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:

    3



    上图测试的是英飞凌的一款CoolMOS™(IPW60R040C7)的IV曲线,设置Vgs-2V+5V下的Vds0-21V下的Ids曲线。

    从图中可以看出, 在Vds15V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:

    4



    碳化硅功率管在Vds=20VVgs=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:

    5



    从图中可以看出,在Vgs-2V+5V整个范围内,CoolGaN IGO60R070D1均未完全导通,即使在VDS=21VVgs=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MosfetSicfet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


    MOSFET2


    IPW60R040C7的规格书中明确的给出了不同Vgs电压下的IV曲线,不同的是原厂采用的是更大电流的仪表来进行测量的。

     

    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:

    GAN1



    我们知道MosfetSicfet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:

    GAN2




    接下来测试一下不同IgsIGO60R070D1IV曲线:

    6



    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0.1mA15mAIV曲线如上图。

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

     

         好吧,这能说明CoolGaN™是电流型控制器件吗?

        

    接下来再对比一下MosfetSicfetCoolGaN™驱动的IV曲线:

    7




    设定Vds15-20V,测试Vgs电压从-5V+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VgsMosfetVth 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:

    8



    同样是设定Vds15-20V,测试Vgs电压从-5V+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-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CoolGaNIGO60R070D1,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Vds15-20V,测试Igs电流从-15mA+15mA时的Vgs电压的IV曲线

    9

    从图中可以看出,CoolGaNIGO60R070D1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.




    。。。。。下接第13帖。。。。。。

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • MC-power

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    2019-06-13 11:18

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    占位看看
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  • 没有飞过的天空

    LV.1

    2019-06-13 11:53

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    排队观看中。。。。
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  • 彭星

    LV.1

    2019-06-13 12:12

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    路过学习!
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  • 我是哇哈哈

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    2019-06-13 13:41

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    路过学习
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  • lianmengwkf

    LV.1

    2019-06-13 14:18

    @

    确实太好啦,期待继续进一步学习
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  • lingyan

    LV.1

    2019-06-13 15:06

    @

    让我想想,该问点什么问题好
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  • lineliu

    LV.1

    2019-06-13 16:16

    @lingyan

    让我想想,该问点什么问题好
    吃过饭没有?觉睡好了吗?
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  • ckj

    LV.1

    2019-06-13 18:34

    @

    J版神帖。我来凑个热闹打个下手,做一些标注。

    1,,,

    Vgs>4V的曲线,提醒下在红色箭头处。因为导通程度足够。

    Vgs<4V的曲线,提醒下在蓝色箭头处。因为几乎都没开通。

    111222

    2,,,

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  • javike

    LV.1

    2019-06-13 20:02

    @ckj

    J版神帖。我来凑个热闹打个下手,做一些标注。

    1,,,

    Vgs>4V的曲线,提醒下在红色箭头处。因为导通程度足够。

    Vgs<4V的曲线,提醒下在蓝色箭头处。因为几乎都没开通。

    111222

    2,,,

    11111

    曹博你这是打marking啊,准备N年后再来看看有没有进步
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  • ckj

    LV.1

    2019-06-13 20:11

    @javike

    曹博你这是打marking啊,准备N年后再来看看有没有进步

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