大規(guī)模數(shù)據(jù)中心,、企業(yè)服務(wù)器或電信交換站使得功耗快速增長,，因此高效AC/DC電源對于電信和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)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(dá)到其理論極限,。同時，近來氮化鎵(GaN)晶體管已成為能夠取代硅基MOSFET的高性能開關(guān),，從而可提高能源轉(zhuǎn)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(guī)格要求的新隔離方案,。

大規(guī)模數(shù)據(jù)中心,、企業(yè)服務(wù)器或電信交換站使得功耗快速增長，因此高效AC/DC電源對于電信和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)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(dá)到其理論極限,。同時，近來氮化鎵(GaN)晶體管已成為能夠取代硅基MOSFET的高性能開關(guān),，從而可提高能源轉(zhuǎn)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(guī)格要求的新隔離方案,。

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

·柵極電容和輸出電容更低,。

·較低的漏源極導(dǎo)通電阻(RDS(ON))可實(shí)現(xiàn)更高的電流操作,，從而降低了傳導(dǎo)損耗。

·無需體二極管,，因此反向恢復(fù)電荷(QRR)低或?yàn)榱恪?/p>

GaN晶體管支持大多數(shù)包含單獨(dú)功率因數(shù)校正(PFC)和DC-DC部分的AC/DC電源：前端,、無電橋PFC以及其后的LLC諧振轉(zhuǎn)換器（兩個電感和一個電容）。此拓?fù)渫耆蕾囉趫D1所示的半橋和全橋電路,。

如果將數(shù)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)來處理更高的開關(guān)頻率,。這主要包括隔離式GaN驅(qū)動器。

圖1.適合電信和服務(wù)器應(yīng)用的典型AC/DC電源

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(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镈SP控制系統(tǒng)時,，需要將脈寬調(diào)制(PWM)信號與其他控制信號隔離開來,。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(tǒng)的總體尺寸,，進(jìn)行電路板組裝時使用了環(huán)氧樹脂密封膠,。小尺寸和高功率密度在AC/DC電源的發(fā)展過程中至關(guān)重要。市場需要小封裝隔離器產(chǎn)品,。

PFC部分隔離

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

為隔離柵后的器件供電

ADI公司的isoPower?技術(shù)專為跨越隔離柵傳輸功率而設(shè)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(qū)動器最好具有以下特性：

·最大允許柵電壓<7 V

·開關(guān)節(jié)點(diǎn)下dv/dt>100 kV/ms ,，CMTI為100 kV/μs至200 kV/μs 

·對于650 V應(yīng)用,，高低開關(guān)延遲匹配≤50 ns

·用于關(guān)斷的負(fù)電壓箝位(–3 V)

有幾種解決方案可同時驅(qū)動半橋晶體管的高端和低端,。關(guān)于傳統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換高壓驅(qū)動器有一個傳說，就是最簡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(qū)動器來驅(qū)動MOS,，以實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計,。但是采用GaN時，電平轉(zhuǎn)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，用于高開關(guān)頻率的效果也不是很理想,。與單通道驅(qū)動器相比,，雙通道隔離驅(qū)動器缺少布局靈活性。同時,，也很難配置負(fù)偏壓,。表1對這些方法做了比較。

表1.驅(qū)動GaN半橋晶體管不同方法的比較

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

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

新趨勢：定制的隔離式GaN模塊

目前,，GaN器件通常與驅(qū)動器分開封裝,。這是因?yàn)镚aN開關(guān)和隔離驅(qū)動器的制造工藝不同。未來,，將GaN晶體管和隔離

柵驅(qū)動器集成到同一封裝中將會減少寄生電感,，從而進(jìn)一步增強(qiáng)開關(guān)性能。一些主要的電信供應(yīng)商計劃自行封裝GaN系統(tǒng),，構(gòu)建單獨(dú)的定制模塊,。從長遠(yuǎn)來看，用于GaN系統(tǒng)的驅(qū)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(qū)動器（低傳輸延遲、高頻率）和isoPower ADuM5020設(shè)計簡單,，可支持這一應(yīng)用趨勢,。

圖3.用于GaN晶體管的單通道、隔離式isoCoupler驅(qū)動器

圖4.iCoupler ADuM110N和isoPower ADuM5020非常適合Navitas GaN模塊應(yīng)用

結(jié)論

與傳統(tǒng)硅基MOSFET相比,，GaN晶體管具有更小的器件尺寸,、更低的導(dǎo)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(yīng)用前景,，特別是在中高電壓電源應(yīng)用中。采用ADI公司的iCoupler?技術(shù)驅(qū)動新興GaN開關(guān)和晶體管能夠帶來出色的效益,。

參考資料

Bismuth,、Alain?！搬槍?shù)據(jù)中心能源效率即將到來的硬件革命,。”GaN Systems, Inc.,，2020年4月,。

“EiceDRIVER 1EDF5673K和1EDS5663H?！盜nfineon Technologies AG,，2018年5月。

“GN001應(yīng)用簡報：如何驅(qū)動GaN增強(qiáng)模式HEMT,?！盙aN Systems, Inc.，2016年4月,。

Oliver,、Stephen?！癎aN功率IC：通過集成提升性能?！蹦侥岷贐odo功率會議,。Navitas，2017年12月,。

作者簡介

Robbins Ren是中國深圳的一名現(xiàn)場應(yīng)用工程師,。Robbins于2010年加入ADI公司，負(fù)責(zé)中國通信客戶的電源和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,。