耦合器技术有利于AC/DC设计中的氮化镓晶体管

高效的 AC/DC 电源是电信和数据通信基础设施发展的关键，因为超大规模数据中心、企业服务器或电信交换站的功耗会迅速增长。然而，电力电子行业已经达到了硅MOSFET的理论极限。同时，最近的氮化镓（GaN）晶体管已成为取代硅基MOSFET的高性能开关，可提供更高的能量转换效率并实现更大的密度。需要具有新规格的新隔离概念来解决GaN晶体管的优势。

GaN晶体管的开关速度比硅MOSFET快得多，并且由于以下原因，可以实现更低的开关损耗：

较低的栅极电容和输出电容。

电阻上的漏极-源极较低 （RDS（ON）） 以获得更高的电流操作，从而降低传导损耗。

低或零反向恢复电荷 （QRR），因为不需要体二极管。

GaN晶体管可以支持大多数由独立的功率因数校正（PFC）和DC-DC部分组成的交流/直流电源：前端无桥PFC和以下LLC谐振转换器（两个电感器和一个电容器）。这种拓扑完全依赖于半桥和全桥电路，如图1所示。

图1.用于电信和服务器应用的典型交流/直流电源。

将数字信号处理器（DSP）作为主控制器，以及用于替代硅MOSFET的GaN晶体管，需要一种新的隔离技术来解决更高的开关频率问题。这主要包括隔离式氮化镓驱动器。

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到DSP控制系统的转变需要隔离脉宽调制（PWM）信号和附加控制信号。双通道ADuM121可用于DSP之间的UART通信。为了最大限度地减少隔离所需的总系统尺寸，在电路板组装中使用了环氧树脂密封胶。更小的尺寸和高功率密度在交流/直流的发展中至关重要。需要更小的封装隔离器。

功率因数校正分段隔离

与MOS相比，ISO栅极驱动器的传播延迟/偏斜、负偏置/箝位和尺寸对于GaN至关重要。为了驱动具有GaN的半桥或全桥晶体管，PFC部分可以使用ADuM3123单通道驱动器，LLC部分可以使用ADuM4223双通道驱动器。

为隔离栅后面的器件供电

ADuM5020基于ADI公司的isoPower技术，专为跨越隔离栅进行功率传输而设计，是一款紧凑型芯片解决方案，可将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，隔离式栅极驱动器的首选要求是：

最大允许栅极电压 <7 V

开关节点>100 kV/ms dv/dt，100 kV/μs 至 200 kV/μs CMTI

高低开关延迟匹配 ≤50 ns，适用于 650 V 应用

负电压箝位 （–3 V），用于关断

有几种解决方案可以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的一个误区是，最简单的单芯片实现方案广泛用于硅基MOSFET。在一些高端产品（例如服务器电源）中，ADuM4223双通道隔离驱动器用于驱动MOS，以实现紧凑型设计。然而，当转向GaN时，电平转换解决方案具有缺点，例如非常大的传播延迟和有限的共模瞬变抗扰度（CMTI），并且对于高开关频率不是最佳选择。与单通道驱动器相比，双隔离驱动器缺乏布局灵活性。同时，它在负偏置的配置上存在困难。表1显示了这些方法的比较。

溶液	科技	优点	挑战	ADI产品
集成高边和低边驱动器	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
双隔离集成驱动器	磁	单芯片解决方案	牺牲布局灵活性，需要时间给自举帽充电	ADuM4223
单通道隔离驱动器	磁	易于布局，高CMTI，低传播延迟/偏斜	需要外部辅助电源	ADuM3123， ADuM4121
隔离器和 ISO 电源	磁	布局灵活，易于负偏置，无自举电路	成本高，电磁干扰问题	ADuM110+ ADuM5020

图2.典型的ISO机会和要求，显示了ISO功率器件中的UART隔离和PFC部分隔离。

单通道驱动器已准备好用于GaN晶体管。典型的单通道驱动器是ADuM3123，它使用齐纳二极管和分立电路提供的外部电源来实现负偏置（可选），如图3所示。

图3.GaN晶体管的单通道隔离式iso耦合器驱动器应用概述。

新趋势：定制隔离氮化镓模块

目前，GaN器件通常与其驱动器分开封装。这是由于GaN开关和隔离驱动器的制造工艺差异造成的。将来，将GaN晶体管和隔离栅驱动器集成到同一封装中将进一步提高开关性能，因为它将减少电感寄生效应。一些主要的电信供应商计划将其GaN系统封装为单独的定制模块。从长远来看，GaN系统的驱动器可以使其实施到更小尺寸的隔离器模块中。ADuM110N（低传播延迟、高频）和iso功率ADuM5020等微小单通道示例，如图4所示，设计简单，支持这一趋势。

图4.i耦合器ADuM110N和iso功率ADuM5020非常适合纳微氮化镓模块。

结论

与传统的硅基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，具有许多优势。采用氮化镓技术可以在不影响效率的情况下减小整体解决方案尺寸。氮化镓器件具有广阔的前景，特别是在中高压电源方面。ADI的i耦合器技术在驱动新兴的GaN开关和晶体管方面具有出色的优势。

审核编辑：郭婷