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。
对于英飞凌公司，广大工程师们应该都有所耳闻。英飞凌是德国原西门子半导体集团独立上市公司。目前是全球十大半导体制造商之一，同时也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。电源网也是很荣幸这次来给英飞凌的新产品氮化镓CoolGan功率器件进行测评，下面跟着电源网深圳实验室负责人黄亭(Javike)，了解下英飞凌CoolGaN™ 产品（IGO60R070）实测，是如何打开高效能源之门的钥匙？
一、在高频下的应用该如何设计，CoolGaN™该如何驱动比较合适呢？
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：
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：
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CoolGaN™ IGO60R070D1：
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。
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：
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：
接下来测试一下不同Igs下IGO60R070D1的IV曲线：
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，在Igs=15mA、Vds>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？
二、对比一下Mosfet、Sicfet、CoolGaN™驱动的IV曲线
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：
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。
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。
三、测评正式开启，是如何打开高效能源之门的钥匙？
在电路设计中，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。
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。
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。
再看看板子背面的IGO60R070D1：
加上散热器再来个特写：
来看看测试波形：
从波形中可以看出：
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。
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。
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。
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。基于CoolGaN™的更高频率等你来挑战。。。
四、实测一下基于英飞凌CoolGaN™的无桥PFC电源
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：2500 W full-bridge totem-pole power factor correction using CoolGaN™
pdf链接地址：https://www.dianyuan.com/upload/community/2019/06/17/1560737423-67189.pdf
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：
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：
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：
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：
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：
输入电流的正弦波非常漂亮，开关没有任何尖峰。
再来看看CoolGaN™在ZVS软开关下的表现：
这是一款基于英飞凌CoolGaN™设计的3600W全桥LLC谐振电源。
工作条件：
输入电压：DC 360-400V
输出电压：DC 52V（Typ）
输出电流：69A
输出功率：3600W
从图中可以看到变换器采用了4颗主磁性元器件。
结合实物图，从架构图中可以看出，初级的4个开关管采用的是英飞凌CoolGaN™ IGO60R070D1，每个开关管采用2颗IGO60R070D1并联，值得一提的是初级的功率管没有散热器，每颗功率管只有一小片0.5*0.5mil的铜排焊接在功率管旁边辅助散热。变压器采用2颗直径仅26mm的铁氧体磁芯绕制，初级串联，次级并联，谐振腔内的Lr和Lm均采用的外置，Lr采用的T106-2的磁环绕制，Lm采用PQ2625的铁氧体磁芯绕制。次级的同步整流管安装在铝制散热器下面，采用的是英飞凌OptiMOS™ 5系列的CoolMos BSC026N08NS5。控制器采用的英飞凌推出的LLC专用控制器ICE2HS01G。
接下来实测一下看看：
由于我的高压直流电源只能输出5A左右的电流（OCP=5.250A），在390V输入的条件下，最大输出测试也就2000W左右。根据应用设计文档里的操作减去了辅助电源及散热风扇的13W功耗，测试得到的效率曲线。从效率曲线图中可以看出，在2000W左右时效率非常接近99%.也就是2000W时的总损耗才20W，而且这个损耗很大一部分是在次级的大电流上，所以CoolGaN™ IGO60R070D1基本不需要散热器的节奏。在20%负载以上效率均超过98%。
在看看工作在2000W时的工作波形：
说明：
1、2通道为初级全桥开关管CoolGaN™ IGO60R070D1其中1组上下桥臂的Vds波形；
3、4通道为次级同步整流管的Vds波形；
6 通道为整个谐振腔的谐振电流波形（Lr位置）；
7 通道为励磁电感Lm的电路波形；
8通道为变压器的电流波形。
这款DEMO的设计开关频率为180KHz-1MHz，谐振频率在350KHz左右，功率密度高达160W/in3。在2000W左右时的开关频率约280KHz左右。遗憾的是我暂时没有条件测试到3600W满载，期待你的体验哦。
六．总结
CoolGaN™将成为打开高效能源之门的钥匙，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。相比MOSFET和SICFET，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，非常期待您的体验和应用。
测评讲解就到这里，如果你对此测评感兴趣，可以问我索要一些资料。我立即邮件发送给你。