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用GaN晶体管替换硅MOSFET?你还需要这种隔离技术

半导体行业被称为“第一代材料、第一代技术、第一代产业”。随着“新基础设施”政策的吹,第三代半导体在以5G、物联网、工业互联网为代表的新基础设施主要领域发挥了重要作用。GaN作为典型的第三代半导体材料,是最接近理想半导体开关的器件。特别是在电力电子行业,硅场效应晶体管已经达到了理论极限,高效的交流/DC电源对于电信和数据通信基础设施的发展非常重要。氮化镓晶体管已经成为一种可以取代硅场效应晶体管的高性能开关,从而实现极高能效和高功率密度的功率转换。如何充分发挥GaN晶体管的优势,还需要达到电路设计的隔离要求。本文详细介绍了ADI公司的新一代数字隔离技术iCoupler。

产业扬帆起航,第三代半导体材料布局正当时

第一代半导体使用硅(Si)作为集成电路最基本的材料,构建了整个信息产业的底层支撑。人类对硅性质的探索已经非常成熟,但由于硅的物理性质的限制,如光学性质、高压和高频性质等,一些固有的缺点无法克服。同时,第三代半导体恰好弥补了Si的不足,成为继Si之后最有前途的半导体材料。第三代半导体材料主要可用于三个领域:光电子学、电力电子学和微波射频。其中GaN主要应用于650V以下的中低压功率器件和微波射频及光电子领域(GaN器件未来将有机会进一步发展到600 ~ 900 V)。

多年来,功率输出系统中功率开关技术的选择一直很简单。在低电压水平(通常低于600伏),MOSFET通常被选中;在高电压水平下,IGBT通常被选择更多。随着GaN形式的新型功率开关技术的出现,这种情况正在改变。这些新的交换技术在性能上有许多明显的优势。更高的开关频率可以减小系统尺寸和重量,这对于太阳能电池板等能源应用和汽车等目标市场中使用的光伏逆变器非常重要。

预计未来五年太阳能市场将以10%的复合年增长率增长,而光伏系统价格预计将再下降20%。这大概是光伏逆变电子元件技术进步的结果。功率开关的新技术将提高开关频率,从而减小电感和电容的尺寸。同时对检测、控制和驱动IC的精度、速度和能效要求也更高。到2021年,在所有电厂级逆变器中,30 kW至100 kW 1500 VDC的电厂级串联逆变器将占据90%以上的市场份额,这代表了创新多电平拓扑的新型高密度GaN功率开关的测试基准。

典型电源转换信号链

像金属氧化物半导体场效应晶体管/IGBT,这些新技术似乎满足不同的应用要求,表明氮化镓自然可以取代金属氧化物半导体场效应晶体管器件。但是,GaN功率开关虽然对设计人员很有吸引力,但也不是没有成本。除了成本增加之外,它们还会给完成功率转换信号链所需的外围IC支持器件带来问题,因此有必要设计一种性能更高的开关驱动系统。实际上,以交换机为中心的观点正在演变成一个更完整的系统解决方案。新一代先进的栅极驱动IC、检测IC、功率控制器和片上隔离更加鲁棒的高度集成嵌入式处理器,将能够管理复杂的多级和多级功率电路,从而充分发挥新一代GaN功率变换器的优势。

驱动新一代GaN功率转换器的关键技术

栅极驱动器可以接收系统控制过程产生的逻辑电平控制信号,并提供驱动电源开关栅极所需的驱动信号。在隔离系统中,它们还可以实现隔离,将系统带电侧的高压信号与安全侧的用户和敏感低压电路分开。为了充分利用氮化镓技术较高的开关频率功能,栅极驱动器必须提高其频率

换,新出现的要求表明,可能需要数百kHz、甚至是1~2 MHz的开关频率。

 

更高的开关频率还会产生共模瞬变抗扰性问题,这对系统设计人员来说是一个非常严重的问题。在隔离式栅极驱动器中的隔离栅上耦合的高压摆率信号可能破坏数据传输,导致输出端出现不必要的信号。传统的基于IGBT的系统中,抗扰度介于20 kV/μs和30 kV/μs之间的栅极驱动器足以抵抗共模干扰。但是,GaN器件往往具有超过这种限制的压摆率,为鲁棒系统选择栅极驱动器,其共模瞬变抗扰度至少应为100 kV/μs。

 

ADuM4135采用了ADI公司的iCoupler®技术,提供最高达100 kV/μs的共模瞬变抗扰度,能够应对此类应用。提高CMTI性能往往会产生额外的延迟,延迟增加意味着高端和低端开关之间的死区时间增加,这会降低性能。在隔离式栅极驱动器领域尤其如此,因为在此类领域中,信号在隔离栅上传输,一般具有更长时间的延迟。但是,ADuM4135不仅提供100 kV/μs CMTI,而且其传播延迟仅为50 ns。


 

ADuM4135评估板与系统框图

 

对于更紧凑的纯SiC/GaN应用,新型隔离式栅极驱动器ADuM4121则是另一解决方案,该驱动器同样基于ADI公司的iCoupler数字隔离技术,其传播延迟在同类器件中最低 (38 ns),支持最高开关频率和150 kV/μs的最高共模瞬变抗扰度。ADuM4121提供5 kV rms隔离,采用宽体8引脚SOIC封装。


 

ADuM4121评估板与系统框图

 

此外,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。如下图所示,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。

 

 

iCoupler ADuM110N和 isoPowerADuM5020非常适合Navitas GaN模块应用

 

本文小结


新型GaN功率开关将会带来巨大进步,从新一代再生电力的大幅增加到电动汽车市场的迅速增长,其更高功率密度、更高工作频率、更高电压和更高效率的巨大的优势将有助于实现更紧凑、更具成本效益的功率应用。为了提供出色性能,新型开关技术需要更改所用隔离式栅极驱动器的要求,并且会为系统设计人员带来新的问题。而采用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,将助力以GaN/SiC为典型的第三代半导体材料在新时代下大放异彩。

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