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功率器件的里程碑——英飞凌CoolGaN™功率器件测评

功率管是电力电子产品的基本构成单元,持续发展至今。

近年来碳化硅和氮化镓材料的功率器件推出,基于宽禁带半导体材料的功率管作为一种更先进的功率管正在被广泛的应用,其速度快,频带高,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。

硅的带隙是1.17电子伏特,碳化硅是3.263电子伏特,氮化镓是3.47电子伏特。


 

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,另外英飞凌还有600V以上的碳化硅二极管和1200V以上的碳化硅功率管,以及600VCoolGaN™ 产品,其优良的特性,包括无寄生体二极管、无反向恢复、可以双向导通,可以实现更多完美的拓扑以及更高频和高效的电源设计。

配合英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K可以大大的简化设计。


     首先采用源表对英飞凌的CoolGaN™——IGO60R070D1进行IV曲线的测量。



利用2台泰克(吉时利)的6.5位源表联机测量。





一台用于驱动信号的供给,另一台用于VDSIDS电压电流的测量。通过上位机联动操作测试。





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。

 

设定Vds15-20V,测试Igs电流从-15mA+15mA时的Vgs电压的IV曲线



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。


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™在电源中应用会比电压驱动氮化镓功率管更稳定和可靠。


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可以使栅极电压首先跳到负电压,这可保护氮化镓开关不受噪音导致误接通的影响,之后栅极电压稳定保持为零。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。


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2019-07-17 11:21

接下来再利用泰克的示波器MSO58自带的功率器件动态参数分析功能对英飞凌的CoolGaN™进行测量。

还是采用英飞凌原厂的这个半桥测试DEMO进行测量:



采用双脉冲法,用信号发生器设置脉宽为1uS,周期为2.5uS,脉冲次数为2次,示波器采用单次触发。

           



采用泰克MSO58示波器的功率器件分析功能可以直接得出CoolGaN™的动态参数。

         



左下的测试提示Ic off是因为英飞凌的CoolGaN™完全没有反向恢复电流导致的,这也说明CoolGaN™是完全没有反向恢复电流和电荷的。即Qrr=0

另外,在CoolGaN™关断和开通状态下的动态参数在右下表格中罗列出来了,包括:trr,ton,toff,以及IDID_pk……等。

 

从结果中可以看出,基于英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K下的CoolGaNIGO60R070D1速度还是非常快的,而且完全没有反向恢复损耗。

 

     。。。下接第23帖。。。。


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2019-07-19 09:40
@javike
接下来再利用泰克的示波器MSO58自带的功率器件动态参数分析功能对英飞凌的CoolGaN™进行测量。还是采用英飞凌原厂的这个半桥测试DEMO进行测量:[图片]采用双脉冲法,用信号发生器设置脉宽为1uS,周期为2.5uS,脉冲次数为2次,示波器采用单次触发。      [图片]采用泰克MSO58示波器的功率器件分析功能可以直接得出CoolGaN™的动态参数。     [图片]左下的测试提示Icoff是因为英飞凌的CoolGaN™完全没有反向恢复电流导致的,这也说明CoolGaN™是完全没有反向恢复电流和电荷的。即Qrr=0另外,在CoolGaN™关断和开通状态下的动态参数在右下表格中罗列出来了,包括:trr,ton,toff,以及ID,ID_pk……等。 从结果中可以看出,基于英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K下的CoolGaN™IGO60R070D1速度还是非常快的,而且完全没有反向恢复损耗。    。。。下接第23帖。。。。
氮化镓功率器件确实性能十分优越,超快的开通速度,超低的开通管段损耗,这些卖点都很吸引人,但是现在看来价格还是主要的限制,但是随着技术的越开越来发达,我相信,氮化镓的产品会越来越普及的。
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2019-07-19 10:25
利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件,射频氮化镓技术是5G的绝配,基站功放使用氮化镓。氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的半导体材料。 属氮化镓最为优秀,硅或者其他器件相比,氮化镓速度更快。所以在未来5G时代,氮化镓市场会更加庞大。
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2019-07-19 10:39
@javike
接下来再利用泰克的示波器MSO58自带的功率器件动态参数分析功能对英飞凌的CoolGaN™进行测量。还是采用英飞凌原厂的这个半桥测试DEMO进行测量:[图片]采用双脉冲法,用信号发生器设置脉宽为1uS,周期为2.5uS,脉冲次数为2次,示波器采用单次触发。      [图片]采用泰克MSO58示波器的功率器件分析功能可以直接得出CoolGaN™的动态参数。     [图片]左下的测试提示Icoff是因为英飞凌的CoolGaN™完全没有反向恢复电流导致的,这也说明CoolGaN™是完全没有反向恢复电流和电荷的。即Qrr=0另外,在CoolGaN™关断和开通状态下的动态参数在右下表格中罗列出来了,包括:trr,ton,toff,以及ID,ID_pk……等。 从结果中可以看出,基于英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K下的CoolGaN™IGO60R070D1速度还是非常快的,而且完全没有反向恢复损耗。    。。。下接第23帖。。。。
期待后面的精彩内容
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tracy188
LV.5
6
2019-07-19 10:52
氮化镓功率管相比较其它功率管,各个端子之间的距离缩短小了,这样可以实现更低的电阻损耗,可以使转换的时间更短,它具有开关快、功率损耗及成本低的优势,以及运行稳定可靠。
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其乐518
LV.2
7
2019-07-19 11:11
@tracy188
氮化镓功率管相比较其它功率管,各个端子之间的距离缩短小了,这样可以实现更低的电阻损耗,可以使转换的时间更短,它具有开关快、功率损耗及成本低的优势,以及运行稳定可靠。
氮化镓的优点还是挺多的,面积小,体积小,输入电容小,反向恢复时间短,可以工作在很高的频率,来减小电源体积。不过价格比较贵,小功率产品有点难应用,可能以后CoolGaN会有大量应用,价格也会有所下降,期待,关注中。。。。
 
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denyuiwen
LV.6
8
2019-07-19 14:51
利用碳化硅和氮化镓材料的功率器件做的产品,可以在尺寸上有很大的空间优势,成本上要降多少?体积缩小了,对于散热,对比以前的产品,优势是有的,毕竟它的驱动性能更好,反向损耗很小,值得去推广。
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gaon
LV.7
9
2019-07-19 14:58
@denyuiwen
利用碳化硅和氮化镓材料的功率器件做的产品,可以在尺寸上有很大的空间优势,成本上要降多少?体积缩小了,对于散热,对比以前的产品,优势是有的,毕竟它的驱动性能更好,反向损耗很小,值得去推广。
普通硅、碳化硅、氮化镓三种工艺,目前来看各有优势,低成本,高性能,小体积,低热损等等,但随着新材料的普及和应用,及出货量的增加, 普通硅产品将会最终被淘汰,学习使用新的器件会对将来产品的品质和稳定性带来保证, 绿色环保的趋势也会加速新器件的普及.
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qingguiying
LV.1
10
2019-07-19 15:42
普通硅、碳化硅、氮化镓三种工艺的进步,表明在科技的进步,以后可能会有更好的材料代替它们,目前这三种工艺应用的市场不同,决定了它的普及率。氮化镓技术的优势非常明显,高性能,小体积,低热损,但是大众化还有比较长的一段时间。支持支持!!!
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2019-07-19 16:29
@gaon
普通硅、碳化硅、氮化镓三种工艺,目前来看各有优势,低成本,高性能,小体积,低热损等等,但随着新材料的普及和应用,及出货量的增加,普通硅产品将会最终被淘汰,学习使用新的器件会对将来产品的品质和稳定性带来保证,绿色环保的趋势也会加速新器件的普及.
英飞凌 CoolGaN™非常适合高压下运行更高频率的开关,可以将整个系统的成本降低,可以做到更轻薄设计、功率密度扩展,使转换效率大大地提高。氮化镓拥有平面型的结构,与传统硅材料的垂直型的结构有木箱的不同;同时,硅的带隙是1.1电子伏特,氮化镓是3.4电子伏特,这就使得氮化镓GaN能够让器件在更高的电压、频率和温度下运行。英飞凌的氮化镓产品还是非常值得期待的。
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yujunice
LV.5
12
2019-07-19 17:24
@javike
接下来再利用泰克的示波器MSO58自带的功率器件动态参数分析功能对英飞凌的CoolGaN™进行测量。还是采用英飞凌原厂的这个半桥测试DEMO进行测量:[图片]采用双脉冲法,用信号发生器设置脉宽为1uS,周期为2.5uS,脉冲次数为2次,示波器采用单次触发。      [图片]采用泰克MSO58示波器的功率器件分析功能可以直接得出CoolGaN™的动态参数。     [图片]左下的测试提示Icoff是因为英飞凌的CoolGaN™完全没有反向恢复电流导致的,这也说明CoolGaN™是完全没有反向恢复电流和电荷的。即Qrr=0另外,在CoolGaN™关断和开通状态下的动态参数在右下表格中罗列出来了,包括:trr,ton,toff,以及ID,ID_pk……等。 从结果中可以看出,基于英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K下的CoolGaN™IGO60R070D1速度还是非常快的,而且完全没有反向恢复损耗。    。。。下接第23帖。。。。
射频氮化镓技术是5G的绝配,基站功放使用氮化镓。氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的半导体材料,其中氮化镓的优点还是挺多的,面积小,体积小,输入电容小,反向恢复时间短,可以工作在很高的频率,来减小电源体积。氮化镓技术的优势非常明显,高性能,小体积,低热损,但是大众化还有比较长的一段时间。
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wxgsnake
LV.4
13
2019-07-19 18:45
开关关闭状态时设置负压,也适用于高频开关电源中吗?那么来回切换负压、零和正压,是否影响整体的反应时间啊。有没有平衡点,及迅速又有很好的保护?
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2019-07-19 19:01
结合上述介绍,我们可以得知氮化镓具有禁带宽度大、电子迁移率高、介电系数小、导电性能好的特点,用其制作成的氮化镓晶体管具有导通电阻小、结电容小和频率高的优点,因此氮化镓晶体管的导通损耗和开关损耗大约只有Si管的一半。不仅如此,在高速精密的工业机器人应用场合,GaN具有效率高、功率密度大的优势,能极大缩小电路体积。氮化镓晶体管没有寄生的体二极管,所以不存在反向恢复损耗,其开关噪声也比Si管小很多,这能减小失真和EMI。
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CDJ01
LV.4
15
2019-07-19 22:10

今年好多厂家跟风推广GaN,好像不做GaN器件就落伍了。以前不知道是什么原因,看了这个帖子,有一点收获。其一,GaN禁带宽度大,击穿电压能做到很高,适合于高电压高功率应用;其二,它没有反向恢复,就能带来高效率。但帖子没讲GaN器件的不足之处,是否可以多介绍一下,这个器件一直没推广开来,一是成本,还有肯定是有一些缺点吧,哈哈,了解不多,请懂得人多分享一些。

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wahaha1111
LV.1
16
2019-07-20 06:41
@CDJ01
今年好多厂家跟风推广GaN,好像不做GaN器件就落伍了。以前不知道是什么原因,看了这个帖子,有一点收获。其一,GaN禁带宽度大,击穿电压能做到很高,适合于高电压高功率应用;其二,它没有反向恢复,就能带来高效率。但帖子没讲GaN器件的不足之处,是否可以多介绍一下,这个器件一直没推广开来,一是成本,还有肯定是有一些缺点吧,哈哈,了解不多,请懂得人多分享一些。

现在gan越来越货了,Gan器件确实非常不错,英飞凌的gan更好,从参数看,测试参数很好,看了这个情况,发coolgan两个片子间距

好小啊,不知做测试有没有问题,这个器件管脚如何分布的,整体感觉蛮好,不知价格现在能不能让工程师接受。

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wrtiger88
LV.1
17
2019-07-21 12:16
氮化镓相比于碳化硅还是欠缺一点市场应用的空间以及设计人员的熟悉程度,不过随着技术的不断发展,氮化镓应该有更好的发展前途,尤其是在高功率驱动方面。还有就是价格方面要是有很好的调整,估计市场推广更方便,设计的工程师也会更多。
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jhcj2014
LV.1
18
2019-07-21 17:53
第三代半导体GaN的优势,在文章里都讲得很清楚,还有各位工程师也发表了很多补充及个人的理解观点,在这里本人就不重复了。这里只想问下厂商或者知情者:薄膜结构的GaN在抗短路耐受力电气性能上和SI、 SIC相比的测试数据,能否总结下给我们了解。
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wzp0214
LV.1
19
2019-07-21 21:12
      氮化镓材料的功率器件具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点,特别是基于GaN的AlGaN/GaN结构具有更高的电子迁移率,使得GaN器件具有低的导通电阻、高的工作频率,能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求。随着GaN衬底材料进步,以及GaN器件本身所具有的优良性能,异军突起的GaN功率半导体具有极其广阔的应用前景,相信在不久的将来GaN功率器件会大量应用于军事和民用的各个领域,使其成为高性能低成本功率管理系统解决方案。
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dianyuanhd
LV.1
20
2019-07-21 22:24

这个coolgan最大能够支持多大电压电流,内阻最小能达到多少,这个未来能不能替代igbt,目前igbt有很多缺点,

coolgan能代替igbt,在再低压电源能够提高电源效率,提高开关频率,提高损耗,何时能够降低价格、

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hkfiber123
LV.1
21
2019-07-21 22:32
@jhcj2014
第三代半导体GaN的优势,在文章里都讲得很清楚,还有各位工程师也发表了很多补充及个人的理解观点,在这里本人就不重复了。这里只想问下厂商或者知情者:薄膜结构的GaN在抗短路耐受力电气性能上和SI、SIC相比的测试数据,能否总结下给我们了解。

从上面看到的就是coolgan的优势,参数都蛮好,都是一些性能参数,不知电气参数如何,不如来个试用计划,

让工程师应用到板子,测测各种电气特性,更好的评估性能来,这样更好。

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drfhhh
LV.1
22
2019-07-21 23:00
@青龙出海
结合上述介绍,我们可以得知氮化镓具有禁带宽度大、电子迁移率高、介电系数小、导电性能好的特点,用其制作成的氮化镓晶体管具有导通电阻小、结电容小和频率高的优点,因此氮化镓晶体管的导通损耗和开关损耗大约只有Si管的一半。不仅如此,在高速精密的工业机器人应用场合,GaN具有效率高、功率密度大的优势,能极大缩小电路体积。氮化镓晶体管没有寄生的体二极管,所以不存在反向恢复损耗,其开关噪声也比Si管小很多,这能减小失真和EMI。

评估板号小巧,vgs好小啊,这样很好控制,怎么没有电路图,这样看着就更方便,这个芯片之间的间距好小,要是有1000V以上

会不会打火之类的问题,实际验证需要考虑更正耐受测试,更好更加体现coolgan的优势。

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2019-07-22 10:50

。。。上接第2帖。。。


接下来再来看看实测基于英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K下的CoolGaNIGO60R070D1工作波形



说明:

1通道为信号发生器注入的方波信号,频率2MHZ

2、3通道为经过门电路转换后的相位差180度的PWM信号。

4、5通道1EDF5673K驱动IGO60R070D1VGS电压波形。

6、7通道1EDF5673K驱动IGO60R070D1IGS电流波形。

8通道为BUCK电感电流波形。


电路图如下:



测得的波形如下


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/DTDI/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。

在关断的时候会有一个比较大的负电流,也就是这个时候1EDF5673K在抽取IGO60R070D1控制端的电荷,其峰值电流接近-500mA,

这是为了保证管子可靠的关断,避免于互补管在开通瞬间出现直通。

其驱动峰值电流不到300mA,对于仅需要不到20mA就可以完全导通的IGO60R070D1来说,300mA的驱动电流已经非常大了,能实现更快的开通速率。


总结:

        CoolGaN™将成为实现更高频率、更高效率、更高功率密度电源的黑科技,

其优良的特性,包括无寄生体二极管、无反向恢复、可以双向导通,可以实现更多完美的拓扑以及更高频和高效的电源设计。

还具备更好的抗干扰性能和更低的开关损耗。配合英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K可以大大的简化设计。


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飞翔2004
LV.9
24
2019-07-22 23:19
@javike
。。。上接第2帖。。。接下来再来看看实测基于英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K下的CoolGaN™IGO60R070D1工作波形[图片]说明:1通道为信号发生器注入的方波信号,频率2MHZ。2、3通道为经过门电路转换后的相位差180度的PWM信号。4、5通道1EDF5673K驱动IGO60R070D1的VGS电压波形。6、7通道1EDF5673K驱动IGO60R070D1的IGS电流波形。8通道为BUCK电感电流波形。电路图如下:[图片]测得的波形如下:[图片]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。在关断的时候会有一个比较大的负电流,也就是这个时候1EDF5673K在抽取IGO60R070D1控制端的电荷,其峰值电流接近-500mA,这是为了保证管子可靠的关断,避免于互补管在开通瞬间出现直通。其驱动峰值电流不到300mA,对于仅需要不到20mA就可以完全导通的IGO60R070D1来说,300mA的驱动电流已经非常大了,能实现更快的开通速率。总结:    CoolGaN™将成为实现更高频率、更高效率、更高功率密度电源的黑科技,其优良的特性,包括无寄生体二极管、无反向恢复、可以双向导通,可以实现更多完美的拓扑以及更高频和高效的电源设计。还具备更好的抗干扰性能和更低的开关损耗。配合英飞凌的CoolGaN™专用驱动1EDF5673K可以大大的简化设计。
        从帖子中学习加深了对GaN的了解,GaN比以往硅MOS提升了开关速度、效率和更高功率密度,因为固有的较低栅极和输出电容可实现以 MHz的开关频率运行,同时降低栅极和开关损耗,从而提高效率。GaN 不需要体二极管,因而消除了反向恢复损耗,并进一步提高了效率、减少了开关节点振铃和 EMI,这种管子在在小型化的产品中有很大优势,目前GaN价格还比较高,但应该是未来的趋势。
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ae10257
LV.5
25
2019-07-23 10:32
在本帖子中更进一步了解到氮化镓的优点,在开关电源方便,GaN可以大大提升了开关速度、效率和更高功率密度,但是目前 在这个行业中用的比较少,价格比较高,性价比方便没有什么优势。相信产品越来越严格 EMI等测试要求 会推动GaN市场的发展。
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zhuxuanwei
LV.4
26
2019-07-23 10:40
英飞凌的cool MOS与普通的MOS管有哪些区别?它对提高电源的效率有哪些帮助?怎么通过电源的设计值来选择cool MOS的参数值?cool MOS对电源的EMI有哪些方面的提升?
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2019-07-23 10:48
英飞凌的COOL功率元器件有哪些封装?使用SOP封装对散热有没有什么要求?在设计时是否需要增加散热装置,它的电气安全距离怎么保证?
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zhushuhao
LV.3
28
2019-07-23 10:56
速度快,频带高,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,英飞凌的功率器件的开关速度能够达到多少?工作开关频率最大可以达到多少?频率升高对电源的EMI电路是否有影响。
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zhuguixia
LV.1
29
2019-07-23 11:27
英飞凌的COOL 功率器件有哪些封装,除开贴片封装还有哪些封装,在设计时是否需要增加散热器件,它的热阻达到了多少?
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2019-07-23 11:31
英飞凌的COOL 功率器件有没有负电压的,也就是普通MOS所说的P沟道的MOS,它的开启电压需要达到多少才能导通?导通压降达到了多少?
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chenwanchun
LV.1
31
2019-07-23 12:26
功率管的封装多种多样,在设计时怎么根据实际情况选择功率管的封装形式?而且每个形式的封装有哪些优缺点?英飞凌的COOL MOS比普通MOS的价格贵了多少?
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