iCoupler技術為AC/DC設計中的氮化鎵(GaN)電晶體帶來諸多優勢

2020-11-22 電子產品世界

大規模數據中心、企業伺服器或電信交換站使得功耗快速增長，因此高效AC/DC電源對於電信和數據通信基礎設施的發展至關重要。但是，電力電子行業中的矽MOSFET已達到其理論極限。同時，近來氮化鎵(GaN)電晶體已成為能夠取代矽基MOSFET的高性能開關，從而可提高能源轉換效率和密度。為了發揮GaN電晶體的優勢，需要一種具有新規格要求的新隔離方案。

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GaN電晶體的開關速度比矽MOSFET要快得多，並可降低開關損耗，原因在於：

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

■   無需體二極體，因此反向恢復電荷(QRR)低或為零。

GaN電晶體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、無電橋PFC以及其後的LLC諧振轉換器（兩個電感和一個電容）。此拓撲完全依賴於圖1所示的半橋和全橋電路

如果將數位訊號處理器(DSP)作為主控制器，並用GaN電晶體替換矽MOSFET，就需要一種新的隔離技術來處理更高的開關頻率。這主要包括隔離式GaN驅動器。

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為DSP控制系統時，需要將脈寬調製(PWM)信號與其他控制信號隔離開來。雙通道 ADuM121 可用於DSP之間的UART通信。為了儘量減小隔離所需系統的總體尺寸，進行電路板組裝時使用了環氧樹脂密封膠。小尺寸和高功率密度在AC/DC電源的發展過程中至關重要。市場需要小封裝隔離器產品。

圖1 適合電信和伺服器應用的典型AC/DC電源

PFC部分隔離

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

圖2 在isoPower器件中實現UART隔離和PFC部分隔離，需要採用ISO技術及其要求

為隔離柵後的器件供電

ADI公司的isoPower®技術專為跨越隔離柵傳輸功率而設計， ADuM5020 緊湊型晶片解決方案採用該技術，能夠使GaN電晶體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電晶體，要求隔離柵極驅動器最好具有以下特性：

最大允許柵電壓<7 V

CMTI開關節點下dv/dt>100 kV/ms ，CMTI為100 kV/µs至200 kV/µs

有幾種解決方案可同時驅動半橋電晶體的高端和低端。關於傳統的電平轉換高壓驅動器有一個傳說，就是最簡單的單晶片方案僅廣泛用於矽基MOSFET。在一些高端產品（例如，伺服器電源）中，使用ADuM4223雙通道隔離驅動器來驅動MOS，以實現緊湊型設計。但是採用GaN時，電平轉換解決方案存在一些缺點，如傳輸延遲很大，共模瞬變抗擾度(CMTI)有限，用於高開關頻率的效果也不是很理想。與單通道驅動器相比，雙通道隔離驅動器缺少布局靈活性。同時，也很難配置負偏壓。表1對這些方法做了比較。

表1 驅動GaN半橋電晶體不同方法的比較

對於GaN電晶體，可使用單通道驅動器。ADuM3123是典型的單通道驅動器，可使用齊納二極體和分立電路提供外部電源來提供負偏壓（可選），如圖3所示。

圖3 用於GaN電晶體的單通道、隔離式isoCoupler驅動器

新趨勢：定製的隔離式GaN模塊

目前，GaN器件通常與驅動器分開封裝。這是因為GaN開關和隔離驅動器的製造工藝不同。未來，將GaN電晶體和隔離

柵驅動器集成到同一封裝中將會減少寄生電感，從而進一步增強開關性能。一些主要的電信供應商計劃自行封裝GaN系統，構建單獨的定製模塊。從長遠來看，用於GaN系統的驅動器也許能夠集成到更小的隔離器模塊中。如圖4所示， ADuM110N 等微型單通道驅動器（低傳輸延遲、高頻率）和isoPower ADuM5020設計簡單，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

與傳統矽基MOSFET相比，GaN電晶體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點。採用GaN技術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。採用ADI公司的iCoupler®技術驅動新興GaN開關和電晶體能夠帶來出色的效益。References

參考資料

Bismuth、Alain。「 針對數據中心能源效率即將到來的硬體革命 。」GaN Systems, Inc.，2020年4月。「 EiceDRIVER 1EDF5673K and 1EDS5663H .」 Infineon Technologies AG, May 2018.

「 EiceDRIVER 1EDF5673K 和1EDS5663H 。」Infineon Technologies AG，2018年5月。「 GN001 Application Brief: How to Drive GaN Enhancement Mode HEMT .」 GaN Systems, Inc., April 2016.

「 GN001應用簡報：如何驅動GaN增強模式HEMT 。」GaN Systems, Inc.，2016年4月。Oliver, Stephen. 「 GaN Power ICs: Integration Drives Performance .」 Bodo’s Power Conference, Munich. Navitas, December 2017.

Oliver、Stephen。「 GaN功率IC：通過集成提升性能 。」慕尼黑Bodo功率會議。Navitas，2017年12月。About the Author

作者簡介

Robbins Ren是中國深圳的一名現場應用工程師。Robbins於2010年加入ADI公司，負責中國通信客戶的電源和iCoupler產品支持。他獲得了華南理工大學電力電子碩士學位。

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