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.
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