iCoupler技术为AC/DC设计中的氮化镓(GaN)晶体管带来诸多优势

  大规模数据中心、企业服务器或电信交换站使得功耗迅速增加，因此高效AC/DC电源对电信和数据通信基础设施的发展至关重要。但是，电力电子行业中的硅MOSFET已达到其理论极限。同时，近来氮化镓(GaN)晶体管已成为能够取代硅基MOSFET的高性能开关，从而可提高能源转换效率和密度。为了发挥GaN晶体管的优势，需要一种具有新规格要求的新隔离方案。

  GaN晶体管的开关速度比硅MOSFET要快得多，并可降低开关损耗，原因在于：

  ■ 较低的漏源极导通电阻(RDS(ON))可实现更高的电流操作，以此来降低了传导损耗。

  GaN晶体管支持大多数包含单独功率因数校正(PFC)和DC-DC部分的AC/DC电源：前端、无电桥PFC以及其后的LLC谐振转换器（两个电感和一个电容）。此拓扑完全依赖于图1所示的半桥和全桥电路

  如果将数字信号处理器(DSP)作为主控制器，并用GaN晶体管替换硅MOSFET，就需要一种新的隔离技术来处理更高的开关频率。这最重要的包含隔离式GaN驱动器。

  UART通信隔离从以前的模拟控制管理系统转变为DSP控制管理系统时，需要将脉宽调制(PWM)信号与其他控制信号隔离开来。双通道ADuM121可用于DSP之间的UART通信。为了尽量减小隔离所需系统的总体尺寸，进行电路板组装时使用了环氧树脂密封胶。小尺寸和高功率密度在AC/DC电源的发展过程中至关重要。市场需要小封装隔离器产品。

  与使用MOS相比，使用GaN时，传输延迟/偏斜、负偏压/箝位和ISO栅极驱动器尺寸很重要。为使用GaN驱动半桥或全桥晶体管，PFC部分可使用单通道驱动器ADuM3123，LLC部分则使用双通道驱动器ADuM4223。

  图2在isoPower器件中实现UART隔离和PFC部分隔离，需要采用ISO技术及其要求

  ADI公司的isoPower®技术专为跨越隔离栅传输功率而设计，ADuM5020紧凑型芯片解决方案采用该技术，能够使GaN晶体管的辅助电源与栅极的辅助电源相匹配。

  有几种解决方案可同时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有一个传说，就是最简单的单芯片方案仅大范围的使用在硅基MOSFET。在一些高端产品（例如，服务器电源）中，使用ADuM4223双通道隔离驱动器来驱动MOS，以实现紧凑型设计。但是采用GaN时，电平转换解决方案存在一些缺点，如传输延迟很大，共模瞬变抗扰度(CMTI)有限，用于高开关频率的效果也不是很理想。与单通道驱动器相比，双通道隔离驱动器缺少布局灵活性。同时，也很难配置负偏压。表1对这一些方法做了比较。

  对于GaN晶体管，可使用单通道驱动器。ADuM3123是典型的单通道驱动器，可使用齐纳二极管和分立电路提供外部电源来提供负偏压（可选），如图3所示。

  目前，GaN器件通常与驱动器分开封装。这是因为GaN开关和隔离驱动器的制造工艺不同。未来，将GaN晶体管和隔离

  栅驱动器集成到同一封装中将会减少寄生电感，从而逐渐增强开关性能。一些主要的电信供应商计划自行封装GaN系统，构建单独的定制模块。从长远来看，用于GaN系统的驱动器也许能够集成到更小的隔离器模块中。如图4所示，ADuM110N等微型单通道驱动器（低传输延迟、高频率）和isoPower ADuM5020设计简单，可支持这一应用趋势。

  与传统硅基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等诸多优点。采用GaN技术可缩小解决方案的总体尺寸，且不影响效率。GaN器件具有广阔的应用前景，特别是在中高电压电源应用中。采用ADI公司的iCoupler®技术驱动新兴GaN开关和晶体管能带来出色的效益。References

  Robbins Ren是中国深圳的一名现场应用工程师。Robbins于2010年加入ADI公司，负责中国通信客户的电源和iCoupler产品支持。他获得了华南理工大学电力电子硕士学位。