打开高效能源之门的钥匙—英飞凌氮化镓CoolGan功率器件测评.docx

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：4.95M 资料格式：docx 举报版权申诉

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打开高效能源之门的钥匙——英飞凌氮化镓 CoolGan 功率器件测评原创：电源网 Javike 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：

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