提到氮化鎵功率管，電源工程師們都知道它的速度快，頻帶高，但還是會覺得有些陌生。其實氮化鎵工藝早就在LED和射頻晶體管領域得到了多年的應用。
氮化鎵是一種寬禁帶半導體材料（WBG），與硅等傳統的半導體材料相比，它能夠讓器件在更高的飽和電子遷移率、頻率和電壓下運行。氮化鎵和硅的截面圖，硅是垂直型的結構，氮化鎵是平面型的結構，在結構上有本質的不同。硅的帶隙是1.1電子伏特，氮化鎵是3.4電子伏特。氮化鎵已經在60年代應用于LED產品中，只是在電源類產品中在近幾年被慢慢市場開始接受。
對于英飛凌公司，廣大工程師們應該都有所耳聞。英飛凌是德國原西門子半導體集團獨立上市公司。目前是全球十大半導體制造商之一，同時也是目前唯一覆蓋普通硅、碳化硅、氮化鎵三種工藝的功率管的公司。電源網也是很榮幸這次來給英飛凌的新產品氮化鎵CoolGan功率器件進行測評，下面跟著電源網深圳實驗室負責人黃亭(Javike)，了解下英飛凌CoolGaN™ 產品（IGO60R070）實測，是如何打開高效能源之門的鑰匙？
一、在高頻下的應用該如何設計，CoolGaN™該如何驅動比較合適呢？
我們先來對比一下基于普通硅工藝、碳化硅、氮化鎵3種工藝的功率管的驅動特性：
上圖測試的是英飛凌的一款CoolMOS™（IPW60R040C7）的IV曲線，設置Vgs在-2V至+5V下的Vds為 0-21V下的Ids曲線。從圖中可以看出， 在Vds為15V左右時，Vgs>=4V進入完全導通狀態。
再看看碳化硅工藝的功率管：
硅功率管在Vds=20V、Vgs=4V時還未能進入完全導通的狀態，但在Vds=2V左右時，Vgs=4.5V就進入完全導通的狀態了。
再看看氮化鎵工藝CoolGaN™ IGO60R070D1：
從圖中可以看出，在Vgs從-2V到+5V整個范圍內，CoolGaN™ IGO60R070D1均未完全導通，即使在VDS=21V、Vgs=5V時，Ids也不到300uA。
這是為什么呢？
作為電源工程師，大家都知道Mosfet和Sicfet的規格書都會提供類似的IV曲線，先來看看現在測試的這顆英飛凌的IPW60R040C7 Mosfet的規格書:IPW60R040C7。
IPW60R040C7的規格書中明確的給出了不同Vgs電壓下的IV曲線，不同的是原廠采用的是更大電流的儀表來進行測量的。我們再來看一下這款CoolGaN™ IGO60R070D1的規格書：IGT60R070D1，然而規格書中并未給出不同Vgs電壓下的IV曲線，但是給出了不同Igs電流下的IV曲線：
我們知道Mosfet和Sicfet都屬于電壓型控制功率器件。那么，CoolGaN™是屬于電流型控制器件嗎？
我們先看看IGO60R070D1規格書中給出的電流條件：
接下來測試一下不同Igs下IGO60R070D1的IV曲線：
規格書給出的驅動所需要的最大平均電流是20mA，設置Vgs電壓限制為5V，測試Igs電流從0.1mA到15mA的IV曲線如上圖。從圖中可以看出，Igs和Ids的線性關系還是比較好的，在Igs=14mA、Vds>15V進入完全導通狀態，在Igs=15mA、Vds>11V進入完全導通狀態。好吧，這能說明CoolGaN™是電流型控制器件嗎？
二、對比一下Mosfet、Sicfet、CoolGaN™驅動的IV曲線
設定Vds為15-20V，測試Vgs電壓從-5V到+5V時的Igs電流。上圖是IPW60R040C7 Mosfet的驅動電壓和電流的IV曲線。
從圖中可以看出，IPW60R040C7只有Vgs在Mosfet的Vth 附近才會出現一個較大的電流，其實也就是驅動所需要的電流，但這個電流最大也不超過0.7uA。遠小于CoolGaN™ 的15mA。
再看看Sicfet驅動的IV曲線：
同樣是設定Vds為15-20V，測試Vgs電壓從-5V到+5V時的Igs電流。Sicfet的驅動IV曲線和Mosfet相差還是比較大的，在Vgs為-5V時的漏電流相對較大，達到了0.35uA,大于-4V以上就很小了，一直到+5V時完Sicfet全開通都沒有出現較大的電流，基本在10nA以內。再來看看CoolGaN™ IGO60R070D1，既然CoolGaN™是電流型控制，那么我們來看看測試不同Igs下驅動Vgs的電壓的IV曲線：設定Vds為15-20V，測試Igs電流從-15mA到+15mA時的Vgs電壓的IV曲線。
從圖中可以看出，CoolGaN™ IGO60R070D1正負電流驅動的對稱性非常好，而且趨勢非常明顯，在電流滿足的情況下，需要的Vgs電壓也非常低。可以定義CoolGaN™為電流型控制功率器件了嗎？不過其需要的驅動電流也并不大，只需要不到20mA。
三、測評正式開啟，是如何打開高效能源之門的鑰匙？
在電路設計中，弱電流信號往往比弱電壓信號的抗干擾能力更強。所以，CoolGaN™在電源中應用會比Mosfet和Sicfet更穩定和可靠。
不過在高頻開關電源的應用中，還是需要按常規做法做到驅動回路盡量短小，將驅動線路中的寄生電感降低至最小，畢竟電感會抑制電流的上升。同時，由于CoolGaN™的導通域值比較低，所以在高DV/DT和高DI/DT電路中，還是有必要在開關瞬間加入負壓關斷來抑制干擾。
建議：采用英飛凌推出的CoolGaN™ 專用驅動芯片1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H，其不同于傳統功率MOSFET的柵極驅動IC，這個針對英飛凌CoolGaN™量身定制的柵極驅動IC可提供負輸出電壓，以快速關斷氮化鎵開關。
在開關應處于關閉狀態的整個持續時間內，GaN EiceDRIVER IC可以使柵極電壓穩定保持為零。
這可保護氮化鎵開關不受噪音導致誤接通的影響，哪怕是首脈沖，這對于開關電源實現強健運行至關重要。氮化鎵柵極驅動IC可實現恒定的GaN HEMT開關轉換速率，幾乎不受工作循環或開關速度影響。這可確保運行穩健性和很高能效，大大縮短研發周期。
它集成了電隔離，可在硬開關和軟開關應用中實現強健運行。它還可在開關電源的一次側和二次側之間提供保護，并可根據需要在功率級與邏輯級之間提供保護。
這款就是采用英飛凌CoolGaN™ IGO60R070D1和專用驅動IC 1EDF5673K的半橋Demo。下面采用這款Demo來實測一下CoolGaN™的效果。
首先，按照英飛凌原廠的參數接入一個12uH的電感形成一個同步Buck的電源。4個1GHz帶寬的普通無源探頭分別測量信號發生器輸入的1.5MHz時鐘信號、經過門電路生成2路互補的PWM信號送到1EDF5673K的輸入端的信號、1EDF5673K輸出給IGO60R070D1的下管驅動信號；1個1GHz帶寬的有源中壓差分探頭測量另1個1EDF5673K輸出給IGO60R070D1上管的驅動信號；2個200MHz的有源差分探頭分別測量IGO60R070D1上下管的Vds電壓波形，1個120MHz帶寬的電流探頭測量電感電流。
再看看板子背面的IGO60R070D1：
加上散熱器再來個特寫：
來看看測試波形：
從波形中可以看出：
1通道為信號發生器注入的1.5MHz時鐘信號；
2、3通道為采用邏輯門生成的2路交錯的PWM信號；
4、5通道為下管和上管的Vgs驅動電壓波形；
6、7通道為下管和上管的Vds電壓波形；
8通道為電感電流波形。
從波形中可以看出：
1EDF5673K輸出給IGO60R070D1的驅動信號是包含負壓的，而且這個負壓并不是持續關斷CoolGaN™的，而是等另一個管關斷后會回升到0V來保持的，這樣一來，既避免因為DV/DT和DI/DT導致的干擾誤動作，也進一步降低了關斷維持的損耗。所需要的驅動電壓很低，而且測得的驅動信號上升沿非?？欤挥?nS左右。Vds電壓可能是因為差分探頭測量線長的原因，有點震蕩。
將Vds測量通道的帶寬限制到20MHz就很漂亮了。另外，采用這款半橋的Demo還可以接成Boost,甚至LLC拓撲進行測試。
上圖就是采用這款Demo做的開環半橋LLC電源，穩定工作頻率達到了4.5MHz?；贑oolGaN™的更高頻率等你來挑戰。。。
四、實測一下基于英飛凌CoolGaN™的無橋PFC電源
工作條件：
輸入電壓：AC 85-265V 50/60HZ
輸出電壓：DC 390V
輸出功率：2500W （低壓輸入時功率降額）
更多詳細數據請參考英飛凌的應用文檔：2500 W full-bridge totem-pole power factor correction using CoolGaN™
pdf鏈接地址：http://www.daogou-taobao.cn/upload/community/2019/06/17/1560737423-67189.pdf
從實物來看，不同于很多其他品牌的DEMO的地方，很多其他品牌DEMO在為了襯托其高功率密度時，鉚足了勁的跑高頻，沒有做EMI方面的考慮，甚至連EMI部分的電路都直接沒有，英飛凌這款基于CoolGaN™的無橋PFC的EMI部分占據了大約1/4的空間，先來看看他的EMI的表現：
按照EN55022的標準來看，基于CoolGaN™的無橋PFC的傳導表現還是非常棒的。余量完全滿足相對嚴格的要求（6dB以上余量）。
再來看看他的效率表現：
熱機1小時后，在15%負載以上效率均在99%左右，輸出860W時效率高達99.48%。2510W時效率仍高達99%，損耗僅僅只有25.1W，溫升不用測了的節奏。
附上電路圖：
這款基于CoolGaN™的無橋PFC采用的是比較新的圖騰柱式PFC拓撲，CoolGaN™工藝決定了其沒有寄生二極管，電流可以雙向流動，而且完全沒有任何反向恢復電荷，這也是傳統的Mosfet和Sicfet無法比擬的，所以圖騰柱式PFC與CoolGaN™是完美的設計組合。
再來看看工作的波形：
1、2通道為CoolGaN™ IGO60R070D1在65KHz開關頻率下Vds電壓波形；
3、4通道為CoolMOS™ IPT65R033G7在50Hz開關頻率下的Vds電壓波形；
5、7通道為輸入電壓和電流波形；
8 通道為PFC電感電流的波形。
這款基于CoolGaN™的無橋PFC采用的是英飛凌的模擬控制器ICE3PCS01G，工作在CCM狀態，能獲得更低的紋波電流和更高的功率因數以及更好的THD。
當然，畢竟還是硬開關的工作狀態，所以對開關管的可靠性要求也很高，特別是2顆工作在高頻65KHz下的CoolGaN™ IGO60R070D1功率管。
而CoolGaN™ IGO60R070D1不僅開關速度快，而且沒有反向恢復損耗的問題，成為圖騰柱式CCM無橋PFC的理想應用器件。
展開看看：
輸入電流的正弦波非常漂亮，開關沒有任何尖峰。
再來看看CoolGaN™在ZVS軟開關下的表現：
這是一款基于英飛凌CoolGaN™設計的3600W全橋LLC諧振電源。
工作條件：
輸入電壓：DC 360-400V
輸出電壓：DC 52V（Typ）
輸出電流：69A
輸出功率：3600W
從圖中可以看到變換器采用了4顆主磁性元器件。
結合實物圖，從架構圖中可以看出，初級的4個開關管采用的是英飛凌CoolGaN™ IGO60R070D1，每個開關管采用2顆IGO60R070D1并聯，值得一提的是初級的功率管沒有散熱器，每顆功率管只有一小片0.5*0.5mil的銅排焊接在功率管旁邊輔助散熱。變壓器采用2顆直徑僅26mm的鐵氧體磁芯繞制，初級串聯，次級并聯，諧振腔內的Lr和Lm均采用的外置，Lr采用的T106-2的磁環繞制，Lm采用PQ2625的鐵氧體磁芯繞制。次級的同步整流管安裝在鋁制散熱器下面，采用的是英飛凌OptiMOS™ 5系列的CoolMos BSC026N08NS5?？刂破鞑捎玫挠w凌推出的LLC專用控制器ICE2HS01G。
接下來實測一下看看：
由于我的高壓直流電源只能輸出5A左右的電流（OCP=5.250A），在390V輸入的條件下，最大輸出測試也就2000W左右。根據應用設計文檔里的操作減去了輔助電源及散熱風扇的13W功耗，測試得到的效率曲線。從效率曲線圖中可以看出，在2000W左右時效率非常接近99%.也就是2000W時的總損耗才20W，而且這個損耗很大一部分是在次級的大電流上，所以CoolGaN™ IGO60R070D1基本不需要散熱器的節奏。在20%負載以上效率均超過98%。
在看看工作在2000W時的工作波形：
說明：
1、2通道為初級全橋開關管CoolGaN™ IGO60R070D1其中1組上下橋臂的Vds波形；
3、4通道為次級同步整流管的Vds波形；
6 通道為整個諧振腔的諧振電流波形（Lr位置）；
7 通道為勵磁電感Lm的電路波形；
8通道為變壓器的電流波形。
這款DEMO的設計開關頻率為180KHz-1MHz，諧振頻率在350KHz左右，功率密度高達160W/in3。在2000W左右時的開關頻率約280KHz左右。遺憾的是我暫時沒有條件測試到3600W滿載，期待你的體驗哦。
六．總結
CoolGaN™將成為打開高效能源之門的鑰匙，其優良的特性，包括無寄生體二極管、無反向恢復、可以雙向導通，可以實現更多完美的拓撲以及更高頻和高效的電源設計。相比MOSFET和SICFET，還具備更好的抗干擾性能和更低的開關損耗。配合英飛凌的CoolGaN™專用驅動1EDF5673K可以大大的簡化設計，非常期待您的體驗和應用。
測評講解就到這里，如果你對此測評感興趣，可以問我索要一些資料。我立即郵件發送給你。