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2019-06-13 10:20
LV.3 2.9w
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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。
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：
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：
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:
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？
接下来再对比一下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.
。。。。。。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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LV.
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LV.12019-06-18 13:18
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LV.12019-06-18 13:27
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LV.12019-06-18 13:28
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LV.12019-06-18 13:30
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GaN,以前只知道在LED和晶体管为主导产品，随着现代器件工艺迅猛发展；GaN开始运用到大密度功率器件上，不知道散热什么样，EMI是不是要从外部电路上解决？
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LV.12019-06-18 13:36
。。。上接第20帖。。。
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。
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。
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LV.12019-06-18 13:46
。。。上接第20帖。。。
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。
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。
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LV.12019-06-18 15:02
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LV.12019-06-18 18:55
第一次见到SOP封装的MOS，CoolGaN想必价格不便宜吧？SOA曲线能不能展示一下呢？
看测试效率还蛮高的，是未来的趋势吧，对于高效节能、优化散热、小型化的设计，选择CoolGaN很有优势。
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LV.12019-06-18 19:07
。。。上接第13帖。。。
再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：
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。
效率高的吓人啊，我们普通的MOSFET用在BUCK电路上，效率达到94-95%我感觉就很高了，似乎就快极限了，这个到了99%，材料特性改变了管子的哪些特性呢？现在的RDSon是多少啊，
还有版主你仿真的用的软件是什么啊，能分分享一下吗，是英飞凌自己的软件吗？
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LV.12019-06-18 20:39
效率高的吓人啊，我们普通的MOSFET用在BUCK电路上，效率达到94-95%我感觉就很高了，似乎就快极限了，这个到了99%，材料特性改变了管子的哪些特性呢？现在的RDSon是多少啊，
还有版主你仿真的用的软件是什么啊，能分分享一下吗，是英飞凌自己的软件吗？
开关速度快了后开关损耗小了，而且CoolGan没有反向恢复损耗，做无桥PFC的神器。
上面所有的数据和波形都是实测的，没有仿真的哦
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