大規模數據中心、企業服務器或電信交換站使得功耗快速增長，因此高效AC/DC電源對于電信和數據通信基礎設施的發展至關重要。但是，電力電子行業中的硅MOSFET已達到其理論極限。同時，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，從而可提高能源轉換效率和密度。為了發揮GaN晶體管的優勢，需要一種具有新規格要求的新隔離方案。

GaN晶體管的開關速度比硅MOSFET要快得多，并可降低開關損耗，原因在于：

柵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。

無需體二極管，因此反向恢復電荷(QRR)低或為零。

GaN晶體管支持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以及其后的LLC諧振轉換器（兩個電感和一個電容）。此拓撲依賴于圖1所示的半橋和全橋電路。

如果將數字信號處理器(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

從以前的模擬控制系統轉變為DSP控制系統時，需要將脈寬 調制(PWM)信號與其他控制信號隔離開來。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柵極驅動器尺寸非常重要。為了使用GaN驅動半橋或全橋晶體 管，PFC部分可使用單通道驅動器ADuM3123LLC部分則使用雙通 道驅動器ADuM4223。

為隔離柵后的器件供電

ADI公司的isoPower?技術專為跨越隔離柵傳輸功率而設計， ADuM5020緊湊型芯片解決方案采用該技術，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，要求隔離柵極驅動器最好具有以下 特性：

最大允許柵電壓<7 VV

開關節點下dv/dt>100 kV/ms ，CMTI為100 kV/μs至200 kV/μs

對于650 V應用，高低開關延遲匹配≤50 ns

用于關斷的負電壓箝位(–3 V)

有幾種解決方案可同時驅動半橋晶體管的高端和低端。關于傳 統的電平轉換高壓驅動器有一個傳說，就是最簡單的單芯片方 案僅廣泛用于硅基MOSFET。在一些高端產品（例如，服務器電 源）中，使用ADuM4223雙通道隔離驅動器來驅動MOS，以實現緊 湊型設計。但是采用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，用于高開關頻率 的效果也不是很理想。與單通道驅動器相比，雙通道隔離驅動 器缺少布局靈活性。同時，也很難配置負偏壓。表1對這些方法 做了比較。

圖2. 在isoPower器件中實現UART隔離和PFC部分隔離，需要采用iso技術及其要求。

對于GaN晶體管，可使用單通道驅動器。ADuM3123是典型的單通 道驅動器，可使用齊納二極管和分立電路提供外部電源來提供 負偏壓（可選），如圖3所示。

圖3. 用于GaN晶體管的單通道、隔離式isoCoupler驅動器。

新趨勢：定制的隔離式GaN模塊

目前，GaN器件通常與驅動器分開封裝。這是因為GaN開關和隔 離驅動器的制造工藝不同。未來，將GaN晶體管和隔離柵驅動器 集成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劃自行封裝GaN系統，構建單獨的 定制模塊。從長遠來看，用于GaN系統的驅動器也許能夠集成到 更小的隔離器模塊中。如圖4所示，ADuM110N(等微型單通道驅動 器（低傳輸延遲、高頻率）和isoPower ADuM5020設計簡單，可支 持這一應用趨勢。

圖4. iCouplerADuM110N和 isoPowerADuM5020非常適合Navitas GaN模塊應用。

結論

與傳統硅基MOSFET相比，GaN晶體管具有更小的器件尺寸、更低的導通電阻和更高的工作頻率等諸多優點。采用GaN技術可縮小解決方案的總體尺寸，且不影響效率。GaN器件具有廣闊的應用前景，特別是在中高電壓電源應用中。采用ADI公司的iCoupler?技術驅動新興GaN開關和晶體管能夠帶來出色的效益。

參考電路

Bismuth、Alain。"針對數據中心能源效率即將到來的硬件革命。"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：通過集成提升性能。." 慕尼黑Bodo功率會議。Navitas，2017年12月。

作者

Robbins Ren

Robbins Ren是中國深圳的一名現場應用工程師。Robbins于2010年加入ADI公司，負責為中國通信客戶提供電源和iCoupler產品支持。他獲得華南理工大學電力電子碩士學位。

審核編輯黃宇