大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、企業(yè)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(shù)據(jù)通信基礎設施的發(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(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，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。

較低的漏源極導通電阻（RDS（ON））可實現(xiàn)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(shù)包含單獨功率因數(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（兩個電感和一個電容）。此拓撲完全依賴于圖 1 所示的半橋和全橋電路。

圖 1. 適合電信和服務器應用的典型 AC/DC 電源。

如果將數(shù)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(shù)來處理更高的開關(guān)頻率。這主要包括隔離式 GaN 驅(qū)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(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)?DSP 控制系統(tǒng)時，需要將脈寬 調(diào)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(tǒng)的總體尺 寸，進行電路板組裝時使用了環(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，傳輸延遲 / 偏斜、負偏壓 / 箝位和 ISO 柵極驅(qū)動器尺寸非常重要。為了使用 GaN 驅(qū)動半橋或全橋晶體 管，PFC 部分可使用單通道驅(qū)動器 ADuM3123LLC 部分則使用雙通 道驅(qū)動器 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計， 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)動器最好具有以下 特性：

最大允許柵電壓《7 VV

開關(guān)節(jié)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(guān)延遲匹配≤50 ns

用于關(guān)斷的負電壓箝位（–3 V）

有幾種解決方案可同時驅(qū)動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(chǎn)品（例如，服務器電 源）中，使用 ADuM4223 雙通道隔離驅(qū)動器來驅(qū)動 MOS，以實現(xiàn)緊 湊型設計。但是采用 GaN 時，電平轉(zhuǎn)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(guān)頻率 的效果也不是很理想。與單通道驅(qū)動器相比，雙通道隔離驅(qū)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。

表 1. 驅(qū)動 GaN 半橋晶體管不同方法的比較

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

對于 GaN 晶體管，可使用單通道驅(qū)動器。ADuM3123 是典型的單通 道驅(qū)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(qū)動器。

新趨勢：定制的隔離式 GaN 模塊

目前，GaN 器件通常與驅(qū)動器分開封裝。這是因為 GaN 開關(guān)和隔 離驅(qū)動器的制造工藝不同。未來，將 GaN 晶體管和隔離柵驅(qū)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(guān)性 能。一些主要的電信供應商計劃自行封裝 GaN 系統(tǒng)，構(gòu)建單獨的 定制模塊。從長遠來看，用于 GaN 系統(tǒng)的驅(qū)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(qū)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(jié)論

與傳統(tǒng)硅基 MOSFET 相比，GaN 晶體管具有更小的器件尺寸、更低的導通電阻和更高的工作頻率等諸多優(yōu)點。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(shù)驅(qū)動新興 GaN 開關(guān)和晶體管能夠帶來出色的效益。
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