【導(dǎo)讀】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(duì)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(shí)，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(shì)，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?/div>
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(gè)電感和一個(gè)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(hào)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(dòng)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(shí)，需要將脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)與其他控制信號(hào)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(shí)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(chǎng)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(shí)，傳輸延遲/偏斜、負(fù)偏壓/箝位和ISO柵極驅(qū)動(dòng)器尺寸非常重要。為了使用GaN驅(qū)動(dòng)半橋或全橋晶體管，PFC部分可使用單通道驅(qū)動(dòng)器ADuM3123，LLC部分則使用雙通道驅(qū)動(dòng)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(jì)，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(dòng)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(duì)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(shí)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器有一個(gè)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(dòng)器來驅(qū)動(dòng)MOS，以實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)。但是采用GaN時(shí)，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(dòng)器相比，雙通道隔離驅(qū)動(dòng)器缺少布局靈活性。同時(shí)，也很難配置負(fù)偏壓。表1對(duì)這些方法做了比較。
表1.驅(qū)動(dòng)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(duì)于GaN晶體管，可使用單通道驅(qū)動(dòng)器。ADuM3123是典型的單通道驅(qū)動(dòng)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(shì)：定制的隔離式GaN模塊
目前，GaN器件通常與驅(qū)動(dòng)器分開封裝。這是因?yàn)镚aN開關(guān)和隔離驅(qū)動(dòng)器的制造工藝不同。未來，將GaN晶體管和隔離
柵驅(qū)動(dòng)器集成到同一封裝中將會(huì)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(jì)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(dòng)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(dòng)器（低傳輸延遲、高頻率）和isoPower ADuM5020設(shè)計(jì)簡單，可支持這一應(yīng)用趨勢(shì)。
圖3.用于GaN晶體管的單通道、隔離式isoCoupler驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。“針對(duì)數(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。
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“GN001應(yīng)用簡報(bào)：如何驅(qū)動(dòng)GaN增強(qiáng)模式HEMT。”GaN Systems, Inc.，2016年4月。
Oliver、Stephen。“GaN功率IC：通過集成提升性能。”慕尼黑Bodo功率會(huì)議。Navitas，2017年12月。
作者簡介
Robbins Ren是中國深圳的一名現(xiàn)場(chǎng)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。
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