iCoupler技術(shù)為AC/DC設計中的氮化鎵(GaN)晶體管帶來(lái)諸多優(yōu)勢

大規模數據中心、企業(yè)服務(wù)器或電信交換站使得功耗快速增長(cháng)，因此高效AC/DC電源對于電信和數據通信基礎設施的發(fā)展至關(guān)重要。但是，電力電子行業(yè)中的硅MOSFET已達到其理論極限。同時(shí)，近來(lái)氮化鎵(GaN)晶體管已成為能夠取代硅基MOSFET的高性能開(kāi)關(guān)，從而可提高能源轉換效率和密度。為了發(fā)揮GaN晶體管的優(yōu)勢，需要一種具有新規格要求的新隔離方案。

GaN晶體管的開(kāi)關(guān)速度比硅MOSFET要快得多，并可降低開(kāi)關(guān)損耗，原因在于：

■   較低的漏源極導通電阻(R_DS(ON))可實(shí)現更高的電流操作，從而降低了傳導損耗。

■   無(wú)需體二極管，因此反向恢復電荷(QRR)低或為零。

GaN晶體管支持大多數包含單獨功率因數校正(PFC)和DC-DC部分的AC/DC電源：前端、無(wú)電橋PFC以及其后的LLC諧振轉換器（兩個(gè)電感和一個(gè)電容）。此拓撲完全依賴(lài)于圖1所示的半橋和全橋電路

如果將數字信號處理器(DSP)作為主控制器，并用GaN晶體管替換硅MOSFET，就需要一種新的隔離技術(shù)來(lái)處理更高的開(kāi)關(guān)頻率。這主要包括隔離式GaN驅動(dòng)器。

典型隔離解決方案和要求

UART通信隔離從以前的模擬控制系統轉變?yōu)镈SP控制系統時(shí)，需要將脈寬調制(PWM)信號與其他控制信號隔離開(kāi)來(lái)。雙通道 ADuM121 可用于DSP之間的UART通信。為了盡量減小隔離所需系統的總體尺寸，進(jìn)行電路板組裝時(shí)使用了環(huán)氧樹(shù)脂密封膠。小尺寸和高功率密度在A(yíng)C/DC電源的發(fā)展過(guò)程中至關(guān)重要。市場(chǎng)需要小封裝隔離器產(chǎn)品。

圖1 適合電信和服務(wù)器應用的典型AC/DC電源

PFC部分隔離

與使用MOS相比，使用GaN時(shí)，傳輸延遲/偏斜、負偏壓/箝位和ISO柵極驅動(dòng)器尺寸非常重要。為了使用GaN驅動(dòng)半橋或全橋晶體管，PFC部分可使用單通道驅動(dòng)器 ADuM3123 ，LLC部分則使用雙通道驅動(dòng)器 ADuM4223 。

圖2 在isoPower器件中實(shí)現UART隔離和PFC部分隔離，需要采用ISO技術(shù)及其要求

為隔離柵后的器件供電

ADI公司的isoPower^?技術(shù)專(zhuān)為跨越隔離柵傳輸功率而設計， ADuM5020 緊湊型芯片解決方案采用該技術(shù)，能夠使GaN晶體管的輔助電源與柵極的輔助電源相匹配。

隔離要求：

為了充分利用GaN晶體管，要求隔離柵極驅動(dòng)器最好具有以下特性：

最大允許柵電壓<7 V

CMTI開(kāi)關(guān)節點(diǎn)下dv/dt>100 kV/ms ，CMTI為100 kV/μs至200 kV/μs

有幾種解決方案可同時(shí)驅動(dòng)半橋晶體管的高端和低端。關(guān)于傳統的電平轉換高壓驅動(dòng)器有一個(gè)傳說(shuō)，就是最簡(jiǎn)單的單芯片方案僅廣泛用于硅基MOSFET。在一些高端產(chǎn)品（例如，服務(wù)器電源）中，使用ADuM4223雙通道隔離驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)MOS，以實(shí)現緊湊型設計。但是采用GaN時(shí)，電平轉換解決方案存在一些缺點(diǎn)，如傳輸延遲很大，共模瞬變抗擾度(CMTI)有限，用于高開(kāi)關(guān)頻率的效果也不是很理想。與單通道驅動(dòng)器相比，雙通道隔離驅動(dòng)器缺少布局靈活性。同時(shí)，也很難配置負偏壓。表1對這些方法做了比較。

表1 驅動(dòng)GaN半橋晶體管不同方法的比較

對于GaN晶體管，可使用單通道驅動(dòng)器。ADuM3123是典型的單通道驅動(dòng)器，可使用齊納二極管和分立電路提供外部電源來(lái)提供負偏壓（可選），如圖3所示。

圖3 用于GaN晶體管的單通道、隔離式isoCoupler驅動(dòng)器

新趨勢：定制的隔離式GaN模塊

目前，GaN器件通常與驅動(dòng)器分開(kāi)封裝。這是因為GaN開(kāi)關(guān)和隔離驅動(dòng)器的制造工藝不同。未來(lái)，將GaN晶體管和隔離

柵驅動(dòng)器集成到同一封裝中將會(huì )減少寄生電感，從而進(jìn)一步增強開(kāi)關(guān)性能。一些主要的電信供應商計劃自行封裝GaN系統，構建單獨的定制模塊。從長(cháng)遠來(lái)看，用于GaN系統的驅動(dòng)器也許能夠集成到更小的隔離器模塊中。如圖4所示， ADuM110N 等微型單通道驅動(dòng)器（低傳輸延遲、高頻率）和isoPower ADuM5020設計簡(jiǎn)單，可支持這一應用趨勢。

圖4 iCoupler ADuM110N和isoPower ADuM5020非常適合Navitas GaN模塊應用Conclusion

結論

與傳統硅基MOSFET相比，GaN晶體管具有更小的器件尺寸、更低的導通電阻和更高的工作頻率等諸多優(yōu)點(diǎn)。采用GaN技術(shù)可縮小解決方案的總體尺寸，且不影響效率。GaN器件具有廣闊的應用前景，特別是在中高電壓電源應用中。采用ADI公司的iCoupler^?技術(shù)驅動(dòng)新興GaN開(kāi)關(guān)和晶體管能夠帶來(lái)出色的效益。References

參考資料

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Oliver、Stephen?！?nbsp;GaN功率IC：通過(guò)集成提升性能 ?！蹦侥岷贐odo功率會(huì )議。Navitas，2017年12月。About the Author

作者簡(jiǎn)介

Robbins Ren是中國深圳的一名現場(chǎng)應用工程師。Robbins于2010年加入ADI公司，負責中國通信客戶(hù)的電源和iCoupler產(chǎn)品支持。他獲得了華南理工大學(xué)電力電子碩士學(xué)位。