耦合器技術(shù)有利于AC/DC設(shè)計(jì)中的氮化鎵晶體管

高效的 AC/DC 電源是電信和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的關(guān)鍵，因?yàn)槌笠?guī)模數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)器或電信交換站的功耗會(huì)迅速增長(zhǎng)。然而，電力電子行業(yè)已經(jīng)達(dá)到了硅MOSFET的理論極限。同時(shí)，最近的氮化鎵（GaN）晶體管已成為取代硅基MOSFET的高性能開(kāi)關(guān)，可提供更高的能量轉(zhuǎn)換效率并實(shí)現(xiàn)更大的密度。需要具有新規(guī)格的新隔離概念來(lái)解決GaN晶體管的優(yōu)勢(shì)。

GaN晶體管的開(kāi)關(guān)速度比硅MOSFET快得多，并且由于以下原因，可以實(shí)現(xiàn)更低的開(kāi)關(guān)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(dǎo)損耗。

低或零反向恢復(fù)電荷 （QRR），因?yàn)椴恍枰w二極管。

GaN晶體管可以支持大多數(shù)由獨(dú)立的功率因數(shù)校正（PFC）和DC-DC部分組成的交流/直流電源：前端無(wú)橋PFC和以下LLC諧振轉(zhuǎn)換器（兩個(gè)電感器和一個(gè)電容器）。這種拓?fù)渫耆蕾囉诎霕蚝腿珮螂娐?，如圖1所示。

圖1.用于電信和服務(wù)器應(yīng)用的典型交流/直流電源。

將數(shù)字信號(hào)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(shù)來(lái)解決更高的開(kāi)關(guān)頻率問(wèn)題。這主要包括隔離式氮化鎵驅(qū)動(dòng)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(tǒng)到DSP控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變需要隔離脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)和附加控制信號(hào)。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(tǒng)尺寸，在電路板組裝中使用了環(huán)氧樹(shù)脂密封膠。更小的尺寸和高功率密度在交流/直流的發(fā)展中至關(guān)重要。需要更小的封裝隔離器。

功率因數(shù)校正分段隔離

與MOS相比，ISO柵極驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲/偏斜、負(fù)偏置/箝位和尺寸對(duì)于GaN至關(guān)重要。為了驅(qū)動(dòng)具有GaN的半橋或全橋晶體管，PFC部分可以使用ADuM3123單通道驅(qū)動(dòng)器，LLC部分可以使用ADuM4223雙通道驅(qū)動(dòng)器。

為隔離柵后面的器件供電

ADuM5020基于ADI公司的isoPower技術(shù)，專為跨越隔離柵進(jìn)行功率傳輸而設(shè)計(jì)，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(qū)動(dòng)器的首選要求是：

最大允許柵極電壓 <7 V

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)>100 kV/ms dv/dt，100 kV/μs 至 200 kV/μs CMTI

高低開(kāi)關(guān)延遲匹配 ≤50 ns，適用于 650 V 應(yīng)用

負(fù)電壓箝位 （–3 V），用于關(guān)斷

有幾種解決方案可以驅(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)器的一個(gè)誤區(qū)是，最簡(jiǎn)單的單芯片實(shí)現(xiàn)方案廣泛用于硅基MOSFET。在一些高端產(chǎn)品（例如服務(wù)器電源）中，ADuM4223雙通道隔離驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)MOS，以實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)向GaN時(shí)，電平轉(zhuǎn)換解決方案具有缺點(diǎn)，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(duì)于高開(kāi)關(guān)頻率不是最佳選擇。與單通道驅(qū)動(dòng)器相比，雙隔離驅(qū)動(dòng)器缺乏布局靈活性。同時(shí)，它在負(fù)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(jī)會(huì)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(qū)動(dòng)器已準(zhǔn)備好用于GaN晶體管。典型的單通道驅(qū)動(dòng)器是ADuM3123，它使用齊納二極管和分立電路提供的外部電源來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)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(qū)動(dòng)器應(yīng)用概述。

新趨勢(shì)：定制隔離氮化鎵模塊

目前，GaN器件通常與其驅(qū)動(dòng)器分開(kāi)封裝。這是由于GaN開(kāi)關(guān)和隔離驅(qū)動(dòng)器的制造工藝差異造成的。將來(lái)，將GaN晶體管和隔離柵驅(qū)動(dòng)器集成到同一封裝中將進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)性能，因?yàn)樗鼘p少電感寄生效應(yīng)。一些主要的電信供應(yīng)商計(jì)劃將其GaN系統(tǒng)封裝為單獨(dú)的定制模塊。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，GaN系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器可以使其實(shí)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，支持這一趨勢(shì)。

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

結(jié)論

與傳統(tǒng)的硅基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，具有許多優(yōu)勢(shì)。采用氮化鎵技術(shù)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(shù)在驅(qū)動(dòng)新興的GaN開(kāi)關(guān)和晶體管方面具有出色的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：郭婷