Az iCoupler technológia előnyei a GaN tranzisztorokkal megvalósított AC/DC konverterekben

Az iCoupler technológia transzformátoralapú megközelítés az izolációhoz. A mikrotranszformátorok és az elektronikus áramkörök integrálásával az optocsatoló, a diszkrét transzformátor és a félvezető technológia minden előnye megtalálható, de az optocsatolók és a diszkrét transzformátorok hátrányai nélkül.

A nagy hatékonyságú AC/DC tápegységek kulcsfontosságúak a távközlési és adatkommunikációs infrastruktúra fejlődésében, mivel az energiafogyasztás meredeken növekszik a hiperskála-adatközpontok (hyperscale data centers), a vállalati szerverek vagy a telekommunikációs állomások működtetésének következtében. A teljesítményelektronikai ipar azonban elérte a szilícium MOSFET eszközök elméleti határát. Eközben megjelentek a gallium-nitrid (GaN) tranzisztorok – mint nagy teljesítményű kapcsolók – a szilíciumalapú MOSFET-ek helyettesítésére, nagyobb energiaátalakítási hatékonyságot és nagyobb sűrűséget lehetővé téve. A GaN tranzisztorok előnyeinek kihasználása érdekében új specifikációkkal rendelkező izolációs/leválasztó koncepcióra van szükség.
A GaN tranzisztorok sokkal gyorsabban kapcsolnak, mint a szilícium MOSFET-ek, és alacsonyabb kapcsolási veszteségeket érhetnek el néhány fontos tulajdonságukból adódóan:

• kisebb Gate és kimeneti kapacitás,

• kisebb Drain-Source ellenállás (RDS (ON)) a nagyobb áramú működéshez, ami kisebb vezetési veszteségeket eredményez,

• alacsony vagy nulla záróirányú feléledési töltés (QRR) – mivel nincs szükség testdiódára.

1. ábra  Tipikus AC / DC tápegység telekommunikációs és szerveralkalmazásokhoz

A GaN tranzisztorok lehetőséget nyújtanak arra, hogy a legtöbb váltakozó áramú/egyenáramú tápegység különálló teljesítménytényező-javító áramkörből (PFC) és egy DC/DC átalakítóból álljon: elől egy híd nélküli PFC front-endből, amelyhez egy LLC rezonáns konverter (két induktivitás és egy kondenzátor) kapcsolódik. Ez a topológia kizárólag az 1. ábrán látható félhíd és teljes híd áramkörökre támaszkodik.
A digitális jelfeldolgozó processzor (DSP) mint fő vezérlő áramkör, valamint a szilícium MOSFET-ek helyettesítésére szolgáló GaN tranzisztor esetén egy új izolációs technológiára van szükség a magasabb kapcsolási frekvenciák eléréséhez. A megoldást egy izolált GaN meghajtó jelenti.

2. ábra  Tipikus ISO lehetőség és követelmény, amely bemutatja az UART és a PFC egység izolálását az isoPower eszközökben

Tipikus izolációs megoldások és követelmények

• UART kommunikáció elkülönítése

  Az analóg vezérlésű rendszerről egy DSP vezérelt rendszerre történő áttéréshez meg kell határozni az impulzusszélesség-modulált (PWM) jeleket és a kiegészítő vezérlőjeleket. A kétcsatornás ADuM121 alkalmas a DSP-k közötti UART kommunikációra. Az izoláláshoz szükséges teljes rendszerméret minimalizálása érdekében epoxigyanta tömítőanyagot alkalmaznak a NyáK szerelésénél. A kisebb méret és a nagy teljesítménysűrűség kritikus fontosságú az AC/DC átalakítók fejlődési folyamatában.

• A PFC egység izolálása

  A MOS eszközökkel szemben, az ISO kapumeghajtó terjedési késleltetése/aszimmetriája, negatív torzítása/lefojtása és mérete kritikus a GaN alkatrészeknél. GaN tranzisztorokkal felépített félhíd vagy teljes híd vezérléséhez az ADuM3123 egycsatornás meghajtó használható a PFC egységhez, az ADuM4223 kétcsatornás meghajtó pedig az LLC egységhez.

• Az eszközök áramellátása az izolációs gát mögött

  Az izolációs gáton történő áramátadásra kifejlesztett ADI isoPower^® technológiával készült az ADuM5020, egy olyan kompakt chip-megoldás, amely a GaN tranzisztor kiegészítő tápellátását össze tudja egyeztetni a kapuéval.

• Izolációs követelmények

  A GaN tranzisztor előnyeinek kihasználása érdekében az izolált kapumeghajtókra vonatkozó követelmények:

  • a megengedett legnagyobb gate feszültség <7 V,

  • > 100 kV / ms dv / dt kapcsolócsomópontnál, 100 kV / µs – 200 kV / µs CMTI,

  • magas-alacsony kapcsolási késleltetés ≤ 50 ns, 650 V-os alkalmazás esetén,

  • negatív feszültségzár (–3 V) kikapcsoláshoz.

3. ábra  Egycsatornás, izolált isoCoupler meghajtóalkalmazás egy GaN tranzisztor esetén

Számos megoldás létezik a félhídtranzisztornak mind a magas, mind az alacsony oldali meghajtására. A hagyományos, szinteltolásos, nagyfeszültségű meghajtóról az terjedt el, hogy a legegyszerűbb egy-chipes megvalósítást széles körben csak szilíciumalapú MOSFET-eknél alkalmazzák. Néhány csúcskategóriás termékben (például a szerverek tápellátása) az ADuM4223 kettős-izolált meghajtót alkalmazzák MOS eszközök vezérlésére kompakt tervezéseknél. A GaN tranzisztorok alkalmazásából adódóan viszont, a szinteltolásos megoldásnak is vannak hátrányai, mint a nagyon nagy terjedési késleltetés és korlátozott közös üzemmódú tranziens immunitás (CMTI), ami nem optimális a magas kapcsolási frekvenciához. A kettős-izolált meghajtó esetében hiányzik az elrendezés rugalmassága az egycsatornás szigetelt meghajtóhoz képest. Eközben nehézségek merülnek fel a negatív torzítás konfigurálásában. Az 1. táblázat e módszerek összehasonlítását mutatja be.

1. táblázat  Különböző módszerek összehasonlítása a félhídba kapcsolt GaN tranzisztor vezérléséhez

Az egycsatornás meghajtók készen állnak a GaN tranzisztorok fogadására. Tipikus egycsatornás meghajtó az ADuM3123, amely a Zener diódák és diszkrét áramkörök által szolgáltatott külső tápellátást használja a negatív offset (opcionális) beállításához, amint az a 3. ábrán látható.

Új trend – testreszabott, izolált GaN modulok

Jelenleg a GaN eszközöket és meghajtóikat általában külön tokban helyezik el. Ennek oka a GaN kapcsolók és az izolációs meghajtók gyártási folyamatainak eltérései. A jövőben a GaN tranzisztorok és az izolációs gátmeghajtók egy tokban történő integrálása tovább fogja javítani a kapcsolási teljesítményt, mivel csökkenti a parazitainduktivitásokat. Néhány kulcsfontosságú távközlési szolgáltató saját maga tervezi egyedi GaN rendszerei tokozását. Hosszú távon a GaN rendszerek meghajtója lehetővé teheti a kisebb méretű izolált modulokba történő elhelyezést is. Kis méretű, egycsatornás megoldások – mint például az ADuM110N (alacsony terjedési késleltetés, nagy frekvencia) és az isoPower ADuM5020 – a tervezés egyszerűségét kínálják, és támogatják ezt a tendenciát. (4. ábra)

4. ábra  Az iCoupler ADuM110N és az isoPower ADuM5020 jól illeszkedik a Navitas GaN modulhoz

Következtetés

A kisebb fizikai mérettel rendelkező, alacsonyabb bekapcsolási ellenállású és magasabb működési frekvenciájú GaN tranzisztorok számos előnyt kínálnak a hagyományos szilíciumalapú MOSFET-ekhez képest. A GaN technológia alkalmazása csökkentheti a teljes megoldás méretét anélkül, hogy veszélyeztetné a hatékonyságot. A GaN eszközök nagyszerű kilátásokkal rendelkeznek, különösen közép- és nagyfeszültségű tápegységekben. Az ADI iCoupler^® technológiája kiváló előnyöket nyújt az egyre jobban elterjedő GaN kapcsolók és tranzisztorok vezérlésében.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Robbins Ren – alkalmazástechnikai mérnök

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 04 57