适用于电信和服务器应用的典型 AC/DC 电源有哪些？

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）。此拓扑完全依赖于图 1 所示的半桥和全桥电路。

图 1. 适合电信和服务器应用的典型 AC/DC 电源。

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《7 VV

开关节点下 dv/dt》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。

表 1. 驱动 GaN 半桥晶体管不同方法的比较

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。
责任编辑:pj