iCoupler技術為AC/DC設計中的氮化鎵(GaN)晶體管帶來優勢

作者: ADI 現場應用工程師Robbins Ren


大規模資料中心、企業伺服器或電訊交換站使得功耗快速成長,因此高效AC/DC電源對於電信和資料通信基礎設施的發展非常重要。但是,電力電子業界中的矽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。

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:

  • 閘極電容和輸出電容更低。
  • 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電晶體支援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。

Typical ac/dc power supply

圖1.適合電信和伺服器應用的典型AC/DC電源。

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


從先前的類比控制系統轉變為DSP控制系統時,需要將脈寬調變(PWM)訊號與其他控制訊號隔離開來。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。

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閘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

為隔離柵後的器件供電


ADI的isoPower®技術專為跨越隔離柵傳輸功率而設計, ADuM5020 精小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閘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:

  • 最大允許閘電壓<7 V
  • 開關節點下dv/dt>100 kV/ms ,CMTI為100 kV/µs至200 kV/µs
  • 對於650 V應用,高低開關延遲匹配≤50 ns
  • 用於關斷的負電壓箝位(–3 V)

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說法,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,以實現精小型設計。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。相較於單通道驅動器,雙通道隔離驅動器缺少了佈局的靈活性。同時,也很難配置負偏壓。表1即針對這些方法進行了比較。

表1.驅動GaN半橋電晶體不同方法的比較
解決方案 技術 優點 挑戰 ADI產品
整合高端和低端驅動器 電平轉換 最簡單的單晶片解決方案 大延遲時間、有限的CMTI、 外部自舉電路
雙通道隔離集成驅動器 磁性 單晶片解決方案 犧牲佈局靈活性、 需要時間給 自舉電容充電 ADuM4223
單通道隔離驅動器 磁性 易於佈局、高CMTI、低傳輸延遲/偏斜 需要外部輔助 電源 ADuM3123, ADuM4121
隔離器和isoPower 磁性 佈局靈活、負偏壓配置簡單、無自舉電路 成本高、EMI問題 ADuM110+ ADuM5020
Typical ISO opportunity and requirement

圖2.在isoPower元件中實現UART隔離和PFC部分隔離,需要採用iso技術及其要求。

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。

A single-channel

圖3.用於GaN電晶體的單通道、隔離式isoCoupler驅動器。

新趨勢:客製化的隔離式GaN模組


目前,GaN元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程不同。未來,將GaN電晶體和隔離柵驅動器整合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畫自行封裝GaN系統,構建單獨的定制模組。從長遠來看,用於GaN系統的驅動器也許能夠整合到更小的隔離器模組中。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,可支援這一應用趨勢。

The iCoupler ADuM110N and the isoPower ADuM5020

圖4.iCoupler ADuM110N和isoPower ADuM5020非常適合Navitas GaN模組應用。

結論

相較於傳統矽基MOSFET,GaN電晶體具有更小的元件尺寸、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元件具有寬廣的應用前景,特別是在中高電壓電源應用中。採用ADI的iCoupler®技術驅動新興GaN開關和電晶體能夠帶來卓越的效益。

參考資料

Bismuth, Alain. "針對資料中心能源效率即將到來的硬體革命。" GaN Systems, Inc.,2020年4月。

"EiceDRIVER 1EDF5673K和1EDS5663H。" Infineon Technologies AG,2018年5月。

"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功率IC:透過整合提升性能。"慕尼克Bodo功率會議。Navitas,2017年12月。