iCoupler技术为AC/DC设计中的GaN晶体管诸多优势

2020-09-28来源: EEWORLD关键字:iCoupler  GaN

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。

 

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。

 

image.png

 

图1.适合电信和服务器应用的典型AC/DC电源

 

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ADuM3123,LLC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 V

 

   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

image.png 

image.png

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。

 

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。

 

image.png

 

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。 


关键字:iCoupler  GaN 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/mndz/ic511818.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:Analog Devices AD567xR DAC贸泽开售
下一篇:CEVA联手Fluent.ai,提供智能边缘超低功耗语音理解解决方案

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

HDMI 1.3a协议采用iCoupler®隔离技术实现电气隔离
电路功能与优势 为高速接口添加电气隔离一直以来都不是一项简单的工作。数据速率高于250 Mbps时,就已超过光耦合器和大部分电子隔离器的容量范围,迫使系统设计人员采用更为复杂的技术,例如光纤。ADI公司的iCoupler®技术可以在数据速率超过1 Gbps时,隔离低压差分信号(LVDS)物理层,以此降低同时需要隔离和高带宽的系统的复杂性。手术内镜和显示屏监测器之间的接口就是一个需要电气隔离的示例。 图1所示的电路在高清多媒体接口(HDMI)源和HDMI接收设备之间提供完全隔离的连接。信号和电源隔离确保HDMI源(例如,医用内窥镜或机器故障监控摄像机)和HDMI接收端(例如,摄像机控制模块或工业显示器)之间能够
发表于 2019-09-23
HDMI 1.3a协议采用<font color='red'>iCoupler</font>®隔离技术实现电气隔离
iCoupler技术揭秘——隔离式RS-485
RS-485差分通信网络经常用于恶劣环境下的工业和仪器应用中。这些网络能够在4000英尺的范围内进行通信。在恶劣环境下进行长距离通信时,可能出现以下问题:●由于不同节点的地电位不同而引起接地环路电流●电机、电感转换负载和其他高噪声电气设备造成感应接地噪声●有害电涌如果无法保证系统中不同节点的地电位不会超出收发器的共模范围,则电流隔离不失为一种理想的解决方案。电流隔离不阻止信息流,但阻止电流流动。传统RS-485网络使用光耦合器进行信号隔离,使用DC-DC转换器进行电源隔离(见图1)。 图1:传统隔离式RS-485节点。通过使用ADI iCoupler数字隔离芯片级变压器技术和isoPower DC-DC转换器技术,光耦合器中采用
发表于 2016-12-15
解析基于iCoupler技术的全集成式RS-485系统隔离
期望获得的逻辑电平开关信号,就会被迭加在一个参考其本地 图1:iCoupler变压器剖面图。   iCoupler技术是基于芯片尺寸的变压器,每个iCoupler通道都由两部分组成:CMOS接口电路和芯片级的变压器。而iCoupler隔离变压器的核心,正是这个能够穿越隔离阻障并发射与接收信号的平面变压器,它们不仅能够提供隔离,而且消除了光耦合器中光电转换的缺点,包括功耗过大、较大的时序误差和数据速率受限等。事实上,由于无需驱动LED的外部电路,iCoupler数字隔离器功耗仅为光电耦合器的1/10~1/50。   iCoupler隔离变压器可实现数千伏的隔离,其高耐压的关键性,在于发送和接受变压器的顶层和底层线圈之间,采用厚达20
发表于 2015-07-09
利用iCoupler隔离技术提高智能电网整合度
所有负载条件下均具有稳定的高电压。 在第2级中,通常利用H桥拓扑结构将直流转换成交流。PV逆变器设计可能会使用中性点箝位(NPC)等H桥变体来提高功效,并降低系统无功功率。 早期太阳能PV逆变器只是将电能转储到公用电网的模块。较新设计则强调安全性、智能电网整合并削减成本。设计人员正在考虑采用现有太阳能逆变器模块中未使用的新技术来改善性能和降低成本。 一个关键因素是基于计算机的仪器仪表和控制,但必须使用隔离栅来保护测量和计算电路,使其不受功率处理电路以及开关所引起的瞬态信号影响。本文将讨论iCoupler隔离技术 如何利用ADI公司的隔离式模数转换器(ADC)和栅极驱动器来降低太阳能PV逆变器的成本、增加智能电网整合度并提
发表于 2015-05-07
在系统设计中如何选择隔离器
的性能极不稳定,为其应用带来局限,特别是在工业应用中这些问题就比较突出。为了克服光电隔离技术的诸多缺点,许多半导体公司开始研发不发光的隔离器解决方案。周晓奇告诉记者,ADI公司是最早一家推出新型数字隔离器解决方案的公司,并于2001年率先推出基于其专有iCoupler磁耦隔离技术的标准数字隔离产品。  新型数字隔离器  周晓奇介绍说,iCoupler 技术是基于芯片尺寸的变压器,每个iCoupler通道都由两部分组成:CMOS接口电路和芯片级变压器。而iCoupler隔离变压器的核心正是这个能够穿越隔离阻障并发射与接收信号的平面变压器,它们不仅能够提供隔离,而且消除了光耦合器中光电转换的缺点,包括功耗过大、较大的时序误差和数据速率受限
发表于 2014-05-10
在系统设计中如何选择隔离器
ST:GaN晶体管在未来大有作为
ST发布了市场首个也是唯一的单封装集成600 V栅极驱动器和两个加强版氮化镓(GaN)晶体管的MASTERGAN1。同类竞品只提供一颗GaN晶体管,而ST决定增加一颗GaN,实现半桥配置,并允许将MASTERGAN1用于新拓扑。在设计AC-DC变换系统时,工程师可以将其用于LLC谐振变换器。新器件还将适用于其它常见的高能效和高端拓扑,例如,有源钳位反激或正激变换器,还解决了更高额定功率和图腾柱PFC的设计问题。 新器件具有高度象征意义,因为它让GaN晶体管在大众化的产品中普及变得更容易。电信设备或数据中心的电源是最早使用这些功率器件的工业应用。现在有了MASTERGAN1,工程师可以设计能效更高的手机超级快充
发表于 2020-10-15
ST:<font color='red'>GaN</font>晶体管在未来大有作为
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2020 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved