GaN晶體管的開關速度比矽MOSFET要快得多
，並可降低開關損耗
，原因在於：

 

●   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，因此反向恢複電荷(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以及其後的LLC諧振轉換器（兩個電感和一個電容）。此拓撲完全依賴於圖1所示的半橋和全橋電路。

 

如果將數字信號處理器(DSP)作為主控製器，並用GaN晶體管替換矽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。

 

圖1.適合電信和服務器應用的典型AC/DC電源

 

典型隔離解決方案和要求

 

UART通信隔離

 

從以前的模擬控製係統轉變為DSP控製係統時
，需要將脈寬調製(PWM)信號與其他控製信號隔離開來。雙通道ADuM121可用於DSP之間的UART通信。為了盡量減小隔離所需係統的總體尺寸
，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ADuM3123
，LLC部分則使用雙通道驅動器ADuM4223 。

 

為隔離柵後的器件供電

 

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 V

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

●   對於650 V應用，高低開關延遲匹配≤50 ns

●   用於關斷的負電壓箝位(–3 V)

 

有you幾ji種zhong解jie決jue方fang案an可ke同tong時shi驅qu動dong半ban橋qiao晶jing體ti管guan的de高gao端duan和he低di端duan。關guan於yu傳chuan統tong的de電dian平ping轉zhuan換huan高gao壓ya驅qu動dong器qi有you一yi個ge傳chuan說shuo，就jiu是shi最zui簡jian單dan的de單dan芯xin片pian方fang案an僅jin廣guang泛fan用yong於yu矽gui基jiMOSFET。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，用於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。

 

表1.驅動GaN半橋晶體管不同方法的比較

 

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

 

對於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。

 

新趨勢：定製的隔離式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製造工藝不同。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係統
，構建單獨的定製模塊。從長遠來看，用於GaN係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3.用於GaN晶體管的單通道、隔離式isoCoupler驅動器

 

圖4.iCoupler ADuM110N和isoPower ADuM5020非常適合Navitas GaN模塊應用

 

結論

 

與傳統矽基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。

 

參考資料

 

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。

 

作者簡介

 

Robbins Ren是中國深圳的一名現場應用工程師。Robbins於2010年加入ADI公司，負責中國通信客戶的電源和iCoupler產品支持。他獲得了華南理工大學電力電子碩士學位。

 

 

推薦閱讀：