功率器件的里程碑——英飛凌CoolGaN?功率器件測評

功率管是電力電子產(chǎn)品的基本構(gòu)成單元，持續(xù)發(fā)展至今。

近年來碳化硅和氮化鎵材料的功率器件推出，基于寬禁帶半導體材料的功率管作為一種更先進的功率管正在被廣泛的應用，其速度快，頻帶高，與硅等傳統(tǒng)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。

硅的帶隙是1.17電子伏特，碳化硅是3.263電子伏特，氮化鎵是3.47電子伏特。

英飛凌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。

提到英飛凌，大家都知道他的CoolMOS? Mosfet，另外英飛凌還有600V以上的碳化硅二極管和1200V以上的碳化硅功率管，以及600V的CoolGaN? 產(chǎn)品，其優(yōu)良的特性，包括無寄生體二極管、無反向恢復、可以雙向?qū)ǎ梢詫崿F(xiàn)更多完美的拓撲以及更高頻和高效的電源設(shè)計。

配合英飛凌的CoolGaN?專用驅(qū)動1EDF5673K可以大大的簡化設(shè)計。

首先采用源表對英飛凌的CoolGaN?——IGO60R070D1進行IV曲線的測量。

利用2臺泰克（吉時利）的6.5位源表聯(lián)機測量。

一臺用于驅(qū)動信號的供給，另一臺用于VDS和IDS電壓電流的測量。通過上位機聯(lián)動操作測試。

規(guī)格書給出的驅(qū)動所需要的最大平均電流是20mA,設(shè)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(guān)系還是比較好的，在Igs=14mA、Vds>15V進入完全導通狀態(tài)，在Igs=15mA、Vds>11V進入完全導通狀態(tài)。

設(shè)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(qū)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。

在電路設(shè)計中我們知道，弱電流信號往往比弱電壓信號的抗干擾能力更強，所以，CoolGaN?在電源中應用會比電壓驅(qū)動氮化鎵功率管更穩(wěn)定和可靠。

不過在高頻開關(guān)電源的應用中，還是需要按常規(guī)做法做到驅(qū)動回路盡量短小，將驅(qū)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(guān)瞬間加入負壓關(guān)斷來抑制干擾。

建議采用英飛凌推出的CoolGaN? 專用驅(qū)動芯片1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H，其不同于傳統(tǒng)功率MOSFET的柵極驅(qū)動IC，這個針對英飛凌CoolGaN?量身定制的柵極驅(qū)動IC可提供負輸出電壓，以快速關(guān)斷氮化鎵開關(guān)。

在開關(guān)應處于關(guān)閉狀態(tài)的整個持續(xù)時間內(nèi)，GaN EiceDRIVER IC可以使柵極電壓首先跳到負電壓，這可保護氮化鎵開關(guān)不受噪音導致誤接通的影響，之后柵極電壓穩(wěn)定保持為零。這對于開關(guān)電源實現(xiàn)強健運行至關(guān)重要。氮化鎵柵極驅(qū)動IC可實現(xiàn)恒定的GaN HEMT開關(guān)轉(zhuǎn)換速率，幾乎不受工作循環(huán)或開關(guān)速度影響。這可確保運行穩(wěn)健性和很高能效，大大縮短研發(fā)周期。它集成了電隔離，可在硬開關(guān)和軟開關(guān)應用中實現(xiàn)強健運行。

它還可在開關(guān)電源的一次側(cè)和二次側(cè)之間提供保護，并可根據(jù)需要在功率級與邏輯級之間提供保護。

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javike

2019-07-17 11:21

接下來再利用泰克的示波器MSO58自帶的功率器件動態(tài)參數(shù)分析功能對英飛凌的CoolGaN?進行測量。

還是采用英飛凌原廠的這個半橋測試DEMO進行測量：

采用雙脈沖法，用信號發(fā)生器設(shè)置脈寬為1uS,周期為2.5uS,脈沖次數(shù)為2次，示波器采用單次觸發(fā)。

采用泰克MSO58示波器的功率器件分析功能可以直接得出CoolGaN?的動態(tài)參數(shù)。

左下的測試提示Ic off是因為英飛凌的CoolGaN?完全沒有反向恢復電流導致的，這也說明CoolGaN?是完全沒有反向恢復電流和電荷的。即Qrr=0

另外，在CoolGaN?關(guān)斷和開通狀態(tài)下的動態(tài)參數(shù)在右下表格中羅列出來了，包括：trr,ton,toff,以及ID，ID_pk……等。

從結(jié)果中可以看出，基于英飛凌的CoolGaN?專用驅(qū)動1EDF5673K下的CoolGaN? IGO60R070D1速度還是非常快的，而且完全沒有反向恢復損耗。

。。。下接第23帖。。。。

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yes19891989

LV.2

2019-07-19 09:40

@javike

接下來再利用泰克的示波器MSO58自帶的功率器件動態(tài)參數(shù)分析功能對英飛凌的CoolGaN?進行測量。還是采用英飛凌原廠的這個半橋測試DEMO進行測量：[圖片]采用雙脈沖法，用信號發(fā)生器設(shè)置脈寬為1uS,周期為2.5uS,脈沖次數(shù)為2次，示波器采用單次觸發(fā)。 [圖片]采用泰克MSO58示波器的功率器件分析功能可以直接得出CoolGaN?的動態(tài)參數(shù)。 [圖片]左下的測試提示Icoff是因為英飛凌的CoolGaN?完全沒有反向恢復電流導致的，這也說明CoolGaN?是完全沒有反向恢復電流和電荷的。即Qrr=0另外，在CoolGaN?關(guān)斷和開通狀態(tài)下的動態(tài)參數(shù)在右下表格中羅列出來了，包括：trr,ton,toff,以及ID，ID_pk……等。從結(jié)果中可以看出，基于英飛凌的CoolGaN?專用驅(qū)動1EDF5673K下的CoolGaN?IGO60R070D1速度還是非常快的，而且完全沒有反向恢復損耗。。。。下接第23帖。。。。

氮化鎵功率器件確實性能十分優(yōu)越，超快的開通速度，超低的開通管段損耗，這些賣點都很吸引人，但是現(xiàn)在看來價格還是主要的限制，但是隨著技術(shù)的越開越來發(fā)達，我相信，氮化鎵的產(chǎn)品會越來越普及的。

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心海拾貝

LV.1

2019-07-19 10:25

利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導體器件，射頻氮化鎵技術(shù)是5G的絕配，基站功放使用氮化鎵。氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）是射頻應用中常用的半導體材料。屬氮化鎵最為優(yōu)秀，硅或者其他器件相比，氮化鎵速度更快。所以在未來5G時代，氮化鎵市場會更加龐大。

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電源網(wǎng)-璐璐

LV.10

2019-07-19 10:39

@javike

期待后面的精彩內(nèi)容

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tracy188

LV.5

2019-07-19 10:52

氮化鎵功率管相比較其它功率管，各個端子之間的距離縮短小了，這樣可以實現(xiàn)更低的電阻損耗，可以使轉(zhuǎn)換的時間更短，它具有開關(guān)快、功率損耗及成本低的優(yōu)勢，以及運行穩(wěn)定可靠。

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其樂518

LV.2

2019-07-19 11:11

@tracy188

氮化鎵的優(yōu)點還是挺多的，面積小，體積小，輸入電容小，反向恢復時間短，可以工作在很高的頻率，來減小電源體積。不過價格比較貴，小功率產(chǎn)品有點難應用，可能以后CoolGaN會有大量應用，價格也會有所下降，期待，關(guān)注中。。。。

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denyuiwen

LV.7

2019-07-19 14:51

利用碳化硅和氮化鎵材料的功率器件做的產(chǎn)品，可以在尺寸上有很大的空間優(yōu)勢，成本上要降多少？體積縮小了，對于散熱，對比以前的產(chǎn)品，優(yōu)勢是有的，畢竟它的驅(qū)動性能更好，反向損耗很小，值得去推廣。

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gaon

LV.7

2019-07-19 14:58

@denyuiwen

普通硅、碳化硅、氮化鎵三種工藝,目前來看各有優(yōu)勢,低成本,高性能,小體積,低熱損等等,但隨著新材料的普及和應用,及出貨量的增加, 普通硅產(chǎn)品將會最終被淘汰,學習使用新的器件會對將來產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性帶來保證, 綠色環(huán)保的趨勢也會加速新器件的普及.

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qingguiying

LV.1

2019-07-19 15:42

普通硅、碳化硅、氮化鎵三種工藝的進步，表明在科技的進步，以后可能會有更好的材料代替它們，目前這三種工藝應用的市場不同，決定了它的普及率。氮化鎵技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，高性能,小體積,低熱損，但是大眾化還有比較長的一段時間。支持支持！！！

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星光電源-胡成

LV.3

2019-07-19 16:29

@gaon

普通硅、碳化硅、氮化鎵三種工藝,目前來看各有優(yōu)勢,低成本,高性能,小體積,低熱損等等,但隨著新材料的普及和應用,及出貨量的增加,普通硅產(chǎn)品將會最終被淘汰,學習使用新的器件會對將來產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性帶來保證,綠色環(huán)保的趨勢也會加速新器件的普及.

英飛凌 CoolGaN?非常適合高壓下運行更高頻率的開關(guān)，可以將整個系統(tǒng)的成本降低，可以做到更輕薄設(shè)計、功率密度擴展，使轉(zhuǎn)換效率大大地提高。氮化鎵擁有平面型的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)硅材料的垂直型的結(jié)構(gòu)有木箱的不同；同時，硅的帶隙是1.1電子伏特，氮化鎵是3.4電子伏特，這就使得氮化鎵GaN能夠讓器件在更高的電壓、頻率和溫度下運行。英飛凌的氮化鎵產(chǎn)品還是非常值得期待的。

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yujunice

LV.5

2019-07-19 17:24

@javike

射頻氮化鎵技術(shù)是5G的絕配，基站功放使用氮化鎵。氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）是射頻應用中常用的半導體材料，其中氮化鎵的優(yōu)點還是挺多的，面積小，體積小，輸入電容小，反向恢復時間短，可以工作在很高的頻率，來減小電源體積。氮化鎵技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，高性能,小體積,低熱損，但是大眾化還有比較長的一段時間。

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wxgsnake

LV.4

2019-07-19 18:45

開關(guān)關(guān)閉狀態(tài)時設(shè)置負壓，也適用于高頻開關(guān)電源中嗎？那么來回切換負壓、零和正壓，是否影響整體的反應時間啊。有沒有平衡點，及迅速又有很好的保護？

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青龍出海

LV.1

2019-07-19 19:01

結(jié)合上述介紹，我們可以得知氮化鎵具有禁帶寬度大、電子遷移率高、介電系數(shù)小、導電性能好的特點，用其制作成的氮化鎵晶體管具有導通電阻小、結(jié)電容小和頻率高的優(yōu)點，因此氮化鎵晶體管的導通損耗和開關(guān)損耗大約只有Si管的一半。不僅如此，在高速精密的工業(yè)機器人應用場合，GaN具有效率高、功率密度大的優(yōu)勢，能極大縮小電路體積。氮化鎵晶體管沒有寄生的體二極管，所以不存在反向恢復損耗，其開關(guān)噪聲也比Si管小很多，這能減小失真和EMI。

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CDJ01

LV.5

2019-07-19 22:10

今年好多廠家跟風推廣GaN，好像不做GaN器件就落伍了。以前不知道是什么原因，看了這個帖子，有一點收獲。其一，GaN禁帶寬度大，擊穿電壓能做到很高，適合于高電壓高功率應用；其二，它沒有反向恢復，就能帶來高效率。但帖子沒講GaN器件的不足之處，是否可以多介紹一下，這個器件一直沒推廣開來，一是成本，還有肯定是有一些缺點吧，哈哈，了解不多，請懂得人多分享一些。

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wahaha1111

LV.1

2019-07-20 06:41

@CDJ01

現(xiàn)在gan越來越貨了，Gan器件確實非常不錯，英飛凌的gan更好，從參數(shù)看，測試參數(shù)很好，看了這個情況，發(fā)coolgan兩個片子間距

好小啊，不知做測試有沒有問題，這個器件管腳如何分布的，整體感覺蠻好，不知價格現(xiàn)在能不能讓工程師接受。

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wrtiger88

LV.1

2019-07-21 12:16

氮化鎵相比于碳化硅還是欠缺一點市場應用的空間以及設(shè)計人員的熟悉程度，不過隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，氮化鎵應該有更好的發(fā)展前途，尤其是在高功率驅(qū)動方面。還有就是價格方面要是有很好的調(diào)整，估計市場推廣更方便，設(shè)計的工程師也會更多。

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jhcj2014

LV.1

2019-07-21 17:53

第三代半導體GaN的優(yōu)勢，在文章里都講得很清楚，還有各位工程師也發(fā)表了很多補充及個人的理解觀點，在這里本人就不重復了。這里只想問下廠商或者知情者：薄膜結(jié)構(gòu)的GaN在抗短路耐受力電氣性能上和SI、 SIC相比的測試數(shù)據(jù)，能否總結(jié)下給我們了解。

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wzp0214

LV.1

2019-07-21 21:12

氮化鎵材料的功率器件具有禁帶寬度寬、臨界擊穿電場強度大、飽和電子漂移速度高、介電常數(shù)小以及良好的化學穩(wěn)定性等特點，特別是基于GaN的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有更高的電子遷移率,使得GaN器件具有低的導通電阻、高的工作頻率,能滿足下一代電子裝備對功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣高溫工作的要求。隨著GaN襯底材料進步,以及GaN器件本身所具有的優(yōu)良性能,異軍突起的GaN功率半導體具有極其廣闊的應用前景,相信在不久的將來GaN功率器件會大量應用于軍事和民用的各個領(lǐng)域,使其成為高性能低成本功率管理系統(tǒng)解決方案。

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dianyuanhd

LV.1

2019-07-21 22:24

這個coolgan最大能夠支持多大電壓電流，內(nèi)阻最小能達到多少，這個未來能不能替代igbt，目前igbt有很多缺點，

coolgan能代替igbt，在再低壓電源能夠提高電源效率，提高開關(guān)頻率，提高損耗，何時能夠降低價格、

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hkfiber123

LV.1

2019-07-21 22:32

@jhcj2014

第三代半導體GaN的優(yōu)勢，在文章里都講得很清楚，還有各位工程師也發(fā)表了很多補充及個人的理解觀點，在這里本人就不重復了。這里只想問下廠商或者知情者：薄膜結(jié)構(gòu)的GaN在抗短路耐受力電氣性能上和SI、SIC相比的測試數(shù)據(jù)，能否總結(jié)下給我們了解。

從上面看到的就是coolgan的優(yōu)勢，參數(shù)都蠻好，都是一些性能參數(shù)，不知電氣參數(shù)如何，不如來個試用計劃，

讓工程師應用到板子，測測各種電氣特性，更好的評估性能來，這樣更好。

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drfhhh

LV.1

2019-07-21 23:00

@青龍出海

評估板號小巧，vgs好小啊，這樣很好控制，怎么沒有電路圖，這樣看著就更方便，這個芯片之間的間距好小，要是有1000V以上

會不會打火之類的問題，實際驗證需要考慮更正耐受測試，更好更加體現(xiàn)coolgan的優(yōu)勢。

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javike

2019-07-22 10:50

。。。上接第2帖。。。

接下來再來看看實測基于英飛凌的CoolGaN?專用驅(qū)動1EDF5673K下的CoolGaN? IGO60R070D1工作波形

說明：

1通道為信號發(fā)生器注入的方波信號，頻率2MHZ。

2、3通道為經(jīng)過門電路轉(zhuǎn)換后的相位差180度的PWM信號。

4、5通道1EDF5673K驅(qū)動IGO60R070D1的VGS電壓波形。

6、7通道1EDF5673K驅(qū)動IGO60R070D1的IGS電流波形。

8通道為BUCK電感電流波形。

電路圖如下：

測得的波形如下：

從波形中可以看出：

1EDF5673K輸出給IGO60R070D1的驅(qū)動信號是包含負壓的，而且這個負壓并不是持續(xù)關(guān)斷CoolGaN?的，而是等另一個管關(guān)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(guān)斷維持的損耗，所需要的驅(qū)動電壓很低。

在關(guān)斷的時候會有一個比較大的負電流，也就是這個時候1EDF5673K在抽取IGO60R070D1控制端的電荷，其峰值電流接近-500mA,

這是為了保證管子可靠的關(guān)斷，避免于互補管在開通瞬間出現(xiàn)直通。

其驅(qū)動峰值電流不到300mA，對于僅需要不到20mA就可以完全導通的IGO60R070D1來說，300mA的驅(qū)動電流已經(jīng)非常大了，能實現(xiàn)更快的開通速率。

總結(jié)：

CoolGaN?將成為實現(xiàn)更高頻率、更高效率、更高功率密度電源的黑科技，

其優(yōu)良的特性，包括無寄生體二極管、無反向恢復、可以雙向?qū)ǎ梢詫崿F(xiàn)更多完美的拓撲以及更高頻和高效的電源設(shè)計。

還具備更好的抗干擾性能和更低的開關(guān)損耗。配合英飛凌的CoolGaN?專用驅(qū)動1EDF5673K可以大大的簡化設(shè)計。

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飛翔2004

LV.10

2019-07-22 23:19

@javike

。。。上接第2帖。。。接下來再來看看實測基于英飛凌的CoolGaN?專用驅(qū)動1EDF5673K下的CoolGaN?IGO60R070D1工作波形[圖片]說明：1通道為信號發(fā)生器注入的方波信號，頻率2MHZ。2、3通道為經(jīng)過門電路轉(zhuǎn)換后的相位差180度的PWM信號。4、5通道1EDF5673K驅(qū)動IGO60R070D1的VGS電壓波形。6、7通道1EDF5673K驅(qū)動IGO60R070D1的IGS電流波形。8通道為BUCK電感電流波形。電路圖如下：[圖片]測得的波形如下：[圖片]從波形中可以看出：1EDF5673K輸出給IGO60R070D1的驅(qū)動信號是包含負壓的，而且這個負壓并不是持續(xù)關(guān)斷CoolGaN?的，而是等另一個管關(guān)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(guān)斷維持的損耗，所需要的驅(qū)動電壓很低。在關(guān)斷的時候會有一個比較大的負電流，也就是這個時候1EDF5673K在抽取IGO60R070D1控制端的電荷，其峰值電流接近-500mA,這是為了保證管子可靠的關(guān)斷，避免于互補管在開通瞬間出現(xiàn)直通。其驅(qū)動峰值電流不到300mA，對于僅需要不到20mA就可以完全導通的IGO60R070D1來說，300mA的驅(qū)動電流已經(jīng)非常大了，能實現(xiàn)更快的開通速率。總結(jié)： CoolGaN?將成為實現(xiàn)更高頻率、更高效率、更高功率密度電源的黑科技，其優(yōu)良的特性，包括無寄生體二極管、無反向恢復、可以雙向?qū)ǎ梢詫崿F(xiàn)更多完美的拓撲以及更高頻和高效的電源設(shè)計。還具備更好的抗干擾性能和更低的開關(guān)損耗。配合英飛凌的CoolGaN?專用驅(qū)動1EDF5673K可以大大的簡化設(shè)計。

從帖子中學習加深了對GaN的了解，GaN比以往硅MOS提升了開關(guān)速度、效率和更高功率密度，因為固有的較低柵極和輸出電容可實現(xiàn)以 MHz的開關(guān)頻率運行，同時降低柵極和開關(guān)損耗，從而提高效率。GaN 不需要體二極管，因而消除了反向恢復損耗，并進一步提高了效率、減少了開關(guān)節(jié)點振鈴和 EMI，這種管子在在小型化的產(chǎn)品中有很大優(yōu)勢，目前GaN價格還比較高，但應該是未來的趨勢。

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ae10257

LV.5

2019-07-23 10:32

在本帖子中更進一步了解到氮化鎵的優(yōu)點，在開關(guān)電源方便，GaN可以大大提升了開關(guān)速度、效率和更高功率密度，但是目前在這個行業(yè)中用的比較少，價格比較高，性價比方便沒有什么優(yōu)勢。相信產(chǎn)品越來越嚴格 EMI等測試要求會推動GaN市場的發(fā)展。

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