iCoupler技术为AC/DC设计中的氮化镓(GaN)晶体管带来诸多优势

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ADuM3123LLC部分则使用双通 道驱动器ADuM4223

为隔离栅后的器件供电


ADI公司的 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
解决方案 技术 优点 挑战 ADI产品
集成高端和低端驱动器 电平转换 最简单的单芯片解决方案 大延迟时间、有限的CMTI、 外部自举电路
双通道隔离集成驱动器 磁性 单芯片解决方案 牺牲布局灵活性、 需要时间给自举电容充电 ADuM4223
单通道隔离驱动器 磁性 易于布局、高CMTI、 低传输延迟/偏斜 需要外部辅助电源 ADuM3123, ADuM4121
隔离器和isoPower 磁性 布局灵活、负偏压配置简单、 无自举电路 成本高、EMI问题 ADuM110+ ADuM5020

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. iCouplerADuM110N和 isoPowerADuM5020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公司的iCoupler® 技术驱动新兴GaN开关和晶体管能够带来出色的效益。

参考电路

Bismuth、Alain。"针对数据中心能源效率即将到来的硬件革命。"GaN Systems, Inc.,2020年4月。

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

"GN001应用简报:如何驱动GaN增强模式HEMT。" GaN Systems, Inc.,2016年4月。

Oliver、Stephen。 "GaN功率IC:通过集成提升性能。." 慕尼黑Bodo功率会议。Navitas,2017年12月。

作者

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Robbins Ren

Robbins Ren是中国深圳的一名现场应用工程师。Robbins于2010年加入ADI公司,负责为中国通信客户提供电源和iCoupler产品支持。他获得华南理工大学电力电子硕士学位。