耦合器技術有利于AC/DC設計中的氮化鎵晶體管

高效的 AC/DC 電源是電信和數據通信基礎設施發展的關鍵，因為超大規模數據中心、企業服務器或電信交換站的功耗會迅速增長。然而，電力電子行業已經達到了硅MOSFET的理論極限。同時，最近的氮化鎵（GaN）晶體管已成為取代硅基MOSFET的高性能開關，可提供更高的能量轉換效率并實現更大的密度。需要具有新規格的新隔離概念來解決GaN晶體管的優勢。

GaN晶體管的開關速度比硅MOSFET快得多，并且由于以下原因，可以實現更低的開關損耗：

較低的柵極電容和輸出電容。

電阻上的漏極-源極較低 （RDS（ON）） 以獲得更高的電流操作，從而降低傳導損耗。

低或零反向恢復電荷 （QRR），因為不需要體二極管。

GaN晶體管可以支持大多數由獨立的功率因數校正（PFC）和DC-DC部分組成的交流/直流電源：前端無橋PFC和以下LLC諧振轉換器（兩個電感器和一個電容器）。這種拓撲完全依賴于半橋和全橋電路，如圖1所示。

圖1.用于電信和服務器應用的典型交流/直流電源。

將數字信號處理器（DSP）作為主控制器，以及用于替代硅MOSFET的GaN晶體管，需要一種新的隔離技術來解決更高的開關頻率問題。這主要包括隔離式氮化鎵驅動器。

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到DSP控制系統的轉變需要隔離脈寬調制（PWM）信號和附加控制信號。雙通道ADuM121可用于DSP之間的UART通信。為了最大限度地減少隔離所需的總系統尺寸，在電路板組裝中使用了環氧樹脂密封膠。更小的尺寸和高功率密度在交流/直流的發展中至關重要。需要更小的封裝隔離器。

功率因數校正分段隔離

與MOS相比，ISO柵極驅動器的傳播延遲/偏斜、負偏置/箝位和尺寸對于GaN至關重要。為了驅動具有GaN的半橋或全橋晶體管，PFC部分可以使用ADuM3123單通道驅動器，LLC部分可以使用ADuM4223雙通道驅動器。

為隔離柵后面的器件供電

ADuM5020基于ADI公司的isoPower技術，專為跨越隔離柵進行功率傳輸而設計，是一款緊湊型芯片解決方案，可將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，隔離式柵極驅動器的首選要求是：

最大允許柵極電壓 <7 V

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

高低開關延遲匹配 ≤50 ns，適用于 650 V 應用

負電壓箝位 （–3 V），用于關斷

有幾種解決方案可以驅動半橋晶體管的高端和低端。關于傳統的電平轉換高壓驅動器的一個誤區是，最簡單的單芯片實現方案廣泛用于硅基MOSFET。在一些高端產品（例如服務器電源）中，ADuM4223雙通道隔離驅動器用于驅動MOS，以實現緊湊型設計。然而，當轉向GaN時，電平轉換解決方案具有缺點，例如非常大的傳播延遲和有限的共模瞬變抗擾度（CMTI），并且對于高開關頻率不是最佳選擇。與單通道驅動器相比，雙隔離驅動器缺乏布局靈活性。同時，它在負偏置的配置上存在困難。表1顯示了這些方法的比較。

圖2.典型的ISO機會和要求，顯示了ISO功率器件中的UART隔離和PFC部分隔離。

單通道驅動器已準備好用于GaN晶體管。典型的單通道驅動器是ADuM3123，它使用齊納二極管和分立電路提供的外部電源來實現負偏置（可選），如圖3所示。

圖3.GaN晶體管的單通道隔離式iso耦合器驅動器應用概述。

新趨勢：定制隔離氮化鎵模塊

目前，GaN器件通常與其驅動器分開封裝。這是由于GaN開關和隔離驅動器的制造工藝差異造成的。將來，將GaN晶體管和隔離柵驅動器集成到同一封裝中將進一步提高開關性能，因為它將減少電感寄生效應。一些主要的電信供應商計劃將其GaN系統封裝為單獨的定制模塊。從長遠來看，GaN系統的驅動器可以使其實施到更小尺寸的隔離器模塊中。ADuM110N（低傳播延遲、高頻）和iso功率ADuM5020等微小單通道示例，如圖4所示，設計簡單，支持這一趨勢。

圖4.i耦合器ADuM110N和iso功率ADuM5020非常適合納微氮化鎵模塊。

結論

與傳統的硅基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，具有許多優勢。采用氮化鎵技術可以在不影響效率的情況下減小整體解決方案尺寸。氮化鎵器件具有廣闊的前景，特別是在中高壓電源方面。ADI的i耦合器技術在驅動新興的GaN開關和晶體管方面具有出色的優勢。

審核編輯：郭婷