大规模数据中心、企业服务器或电信交换站使得功耗快速增长,因此高效 AC/DC 电源对于电信和数据通信基础设施的发展至关重要。但是,电力电子行业中的硅 MOSFET 已达到其理论极限。同时,近来氮化镓(GaN)晶体管已成为能够取代硅基 MOSFET 的高性能开关,从而可提高能源转换效率和密度。为了发挥 GaN 晶体管的优势,需要一种具有新规格要求的新隔离方案。


GaN 晶体管的开关速度比硅 MOSFET 要快得多,并可降低开关损耗,原因在于:


栅极电容和输出电容更低。


较低的漏源极导通电阻(RDS(ON))可实现更高的电流操作,从而降低了传导损耗。


无需体二极管,因此反向恢复电荷(QRR)低或为零。


GaN 晶体管支持大多数包含单独功率因数校正(PFC)和 DC-DC 部分的 AC/DC 电源:前端、无电桥 PFC 以及其后的 LLC 谐振转换器(两个电感和一个电容)。此拓扑完全依赖于图 1 所示的半桥和全桥电路。

 

图 1. 适合电信和服务器应用的典型 AC/DC 电源。

 

如果将数字信号处理器(DSP)作为主控制器,并用 GaN 晶体管替换硅 MOSFET,就需要一种新的隔离技术来处理更高的开关频率。这主要包括隔离式 GaN 驱动器。

 

典型隔离解决方案和要求
UART 通信隔离

从以前的模拟控制系统转变为 DSP 控制系统时,需要将脉宽调制(PWM)信号与其他控制信号隔离开来。双通道 ADuM121 可用于 DSP 之间的 UART 通信。为了尽量减小隔离所需系统的总体尺寸,进行电路板组装时使用了环氧树脂密封胶。小尺寸和高功率密度在 AC/DC 电源的发展过程中至关重要。市场需要小封装隔离器产品。


PFC 部分隔离
与使用 MOS 相比,使用 GaN 时,传输延迟 / 偏斜、负偏压 / 箝位和 ISO 栅极驱动器尺寸非常重要。为了使用 GaN 驱动半桥或全桥晶体管,PFC 部分可使用单通道驱动器 ADuM3123,LLC 部分则使用双通道驱动器 ADuM4223。


为隔离栅后的器件供电
ADI 的 isoPower®技术专为跨越隔离栅传输功率而设计,ADuM5020 紧凑型芯片解决方案采用该技术,能够使 GaN 晶体管的辅助电源与栅极的辅助电源相匹配。

 

隔离要求

为了充分利用 GaN 晶体管,要求隔离栅极驱动器最好具有以下特性:


最大允许栅电压<7 VV


开关节点下 dv/dt>100 kV/ms ,CMTI 为 100 kV/μs 至 200 kV/μs


对于 650 V 应用,高低开关延迟匹配≤50 ns


用于关断的负电压箝位(–3 V)


有几种解决方案可同时驱动半桥晶体管的高端和低端。关于传统的电平转换高压驱动器有一个传说,就是最简单的单芯片方案仅广泛用于硅基 MOSFET。在一些高端产品(例如,服务器电源)中,使用 ADuM4223 双通道隔离驱动器来驱动 MOS,以实现紧凑型设计。但是采用 GaN 时,电平转换解决方案存在一些缺点,如传输延迟很大,共模瞬变抗扰度(CMTI)有限,用于高开关频率的效果也不是很理想。与单通道驱动器相比,双通道隔离驱动器缺少布局灵活性。同时,也很难配置负偏压。表 1 对这些方法做了比较。

 

表 1. 驱动 GaN 半桥晶体管不同方法的比较

 

图 2. 在 isoPower 器件中实现 UART 隔离和 PFC 部分隔离,需要采用 iso 技术及其要求。

 

对于 GaN 晶体管,可使用单通道驱动器。ADuM3123 是典型的单通道驱动器,可使用齐纳二极管和分立电路提供外部电源来提供负偏压(可选),如图 3 所示。

 

图 3. 用于 GaN 晶体管的单通道、隔离式 isoCoupler 驱动器。


新趋势:定制的隔离式 GaN 模块
目前,GaN 器件通常与驱动器分开封装。这是因为 GaN 开关和隔离驱动器的制造工艺不同。未来,将 GaN 晶体管和隔离栅驱动器集成到同一封装中将会减少寄生电感,从而进一步增强开关性能。一些主要的电信供应商计划自行封装 GaN 系统,构建单独的定制模块。从长远来看,用于 GaN 系统的驱动器也许能够集成到更小的隔离器模块中。如图 4 所示,ADuM110N (等微型单通道驱动器(低传输延迟、高频率)和 isoPower ADuM5020 设计简单,可支持这一应用趋势。

 

图 4. iCoupler ADuM110N 和 isoPower ADuM5020 非常适合 Navitas GaN 模块应用。

 

结论

与传统硅基 MOSFET 相比,GaN 晶体管具有更小的器件尺寸、更低的导通电阻和更高的工作频率等诸多优点。采用 GaN 技术可缩小解决方案的总体尺寸,且不影响效率。GaN 器件具有广阔的应用前景,特别是在中高电压电源应用中。采用 ADI 的 iCoupler®技术驱动新兴 GaN 开关和晶体管能够带来出色的效益。