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快速增长，因此高效ac/dc电源对于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：
栅极电容和输出电容更低。
较低的漏源极导通电阻(rds(on))可实现更高的电流操作，从而降低了传导损耗。
无需体二极管，因此反向恢复电荷(qrr)低或为零。
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。这主要包括隔离式gan驱动器。
典型隔离解决方案和要求
uart通信隔离
从以前的模拟控制系统转变为dsp控制系统时，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。
pfc部分隔离
与使用mos相比，使用gan时，传输延迟/偏斜、负偏压/箝位和 iso栅极驱动器尺寸非常重要。为了使用gan驱动半桥或全桥晶体 管，pfc部分可使用单通道驱动器adum3123llc部分则使用双通 道驱动器adum4223。
为隔离栅后的器件供电
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。
隔离要求
为了充分利用gan晶体管，要求隔离栅极驱动器最好具有以下 特性：
最大允许栅电压100 kv/ms ，cmti为100 kv/μs至200 kv/μs
对于650 v应用，高低开关延迟匹配≤50 ns
用于关断的负电压箝位(–3 v)
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 案仅广泛用于硅基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对这些方法 做了比较。
解决方案 技术 优点 挑战 adi产品
集成高端和低端驱动器 电平转换 最简单的单芯片解决方案 大延迟时间、有限的cmti、 外部自举电路
双通道隔离集成驱动器 磁性 单芯片解决方案 牺牲布局灵活性、 需要时间给自举电容充电 adum4223
单通道隔离驱动器 磁性 易于布局、高cmti、 低传输延迟/偏斜 需要外部辅助电源 adum3123, adum4121
隔离器和isopower 磁性 布局灵活、负偏压配置简单、 无自举电路 成本高、emi问题 adum110+ adum5020
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。
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。
图3. 用于gan晶体管的单通道、隔离式isocoupler驱动器。
新趋势：定制的隔离式gan模块
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，从而进一步增强开关性 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。
图4. icoupleradum110n和 isopoweradum5020非常适合navitas gan模块应用。
结论
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开关和晶体管能够带来出色的效益。
参考电路
bismuth、alain。针对数据中心能源效率即将到来的硬件革命。gan systems, inc.，2020年4月。
eicedriver 1edf5673k和1eds5663h。infineon technologies ag，2018年5月。
gn001应用简报：如何驱动gan增强模式hemt。 gan systems, inc.，2016年4月。
oliver、stephen。 gan功率ic：通过集成提升性能。. 慕尼黑bodo功率会议。navitas，2017年12月。
作者
robbins ren
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，负责为中国通信客户提供电源和icoupler产品支持。他获得华南理工大学电力电子硕士学位。
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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。这主要包括隔离式gan驱动器。
典型隔离解决方案和要求
uart通信隔离
从以前的模拟控制系统转变为dsp控制系统时，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。
pfc部分隔离
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