GaN FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)中集成電流傳感的優(yōu)勢(shì)

本文重點(diǎn)介紹了一項(xiàng)新發(fā)展：將電流傳感(CS)直接集成到采用PDFN封裝的氮化鎵(GaN)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)中，且無(wú)需外部供電。我們將深入探討這一解決方案的優(yōu)勢(shì)、性能以及通過(guò)60W適配器電子驗(yàn)證板獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

集成電流傳感器與外部電流傳感電阻的比較

在電力電子應(yīng)用中，例如反激式變換器或功率因數(shù)校正(PFC)，通常需要檢測(cè)開關(guān)電流，以實(shí)現(xiàn)峰值/谷值電流模式控制或過(guò)流保護(hù)。如表1所示，有多種方法可以完成這項(xiàng)任務(wù)。

電流傳感通常是通過(guò)與主FET串聯(lián)連接的外部分流電阻或電流變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種新方法采用集成電流傳感電阻，無(wú)需外部電源。

通過(guò)將電流傳感集成到GaN開關(guān)中，可以最小化因傳感電阻造成的損失，從而提高效率并增加熱耗散。此外，該解決方案優(yōu)化了門回路拓?fù)?，通過(guò)在源極和接地之間建立直接連接，從而實(shí)現(xiàn)GaN FET的更清晰的門源電壓(Vgs)。

傳統(tǒng)電流傳感方法與新方法的比較如圖1所示。前者使用離散的GaN FET和外部的RSENSE電阻，而提議的解決方案則使用帶有集成電流傳感電阻的GaN FET。需要注意的是，額外的引腳(CS)是必需的。

電流傳感輸出(Ics)是主FET電流(Ids)的一部分。設(shè)置電阻(Rset)放置在CS和SS之間，將電流(Ics)轉(zhuǎn)化為電壓(Vcs)?？梢栽诤笃谠黾覴C濾波器作為可選措施，以消除振鈴和開關(guān)噪聲。在4.0 A電流下，所需的準(zhǔn)確度范圍在-3.5%到3.5%之間，溫度范圍為0°C至105°C。這個(gè)準(zhǔn)確度水平足以滿足多種控制器的要求，包括QR反激、AHB和PFC。

集成電流傳感的優(yōu)勢(shì)

集成電流傳感解決方案的主要優(yōu)勢(shì)包括：

通過(guò)最小化傳感電阻導(dǎo)致的損失和消除熱熱點(diǎn)來(lái)提高效率。為了獲得與傳統(tǒng)離散GaN系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男?，可以使用具有更高RDS(on)的集成GaN，從而獲得成本優(yōu)勢(shì)。

可以使用Kelvin源來(lái)驅(qū)動(dòng)，更清晰的驅(qū)動(dòng)回路和接地。在離散方法中，由于存在公共源電感以及RSENSE在電流通過(guò)時(shí)引起的波動(dòng)電壓，無(wú)法使用Kelvin源。

該解決方案無(wú)需額外電源。這使得解決方案緊湊且易于使用。

從傳統(tǒng)配置遷移到使用傳感電阻的配置非常簡(jiǎn)單。通過(guò)使用0Ω電阻，可以將相同的PCB布局修改為兼容新IC組件和傳統(tǒng)的離散GaN + RSENSE。

新IC組件中輔助電路的加入將ESD從200 V提高到2 kV。一般來(lái)說(shuō)，GaN FET的ESD評(píng)級(jí)較低，除非采用GaN工藝的ESD電路，該電路的開發(fā)水平低于硅ESD電路。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該提議的解決方案采用5×6毫米的PDFN封裝，經(jīng)過(guò)400 V 6 A雙脈沖測(cè)試(DPT)，從而評(píng)估主要FET開關(guān)特性和準(zhǔn)確快速的電流傳感性能。采用的DPT測(cè)試配置的電路圖如圖2所示。

在400 V 6 A硬開關(guān)開關(guān)和硬關(guān)斷期間，F(xiàn)ET的開關(guān)行為如圖3所示。通過(guò)圖2所示的DPT測(cè)試設(shè)備評(píng)估CS性能。當(dāng)Vds的振鈴小于其穩(wěn)態(tài)值的20%時(shí)，Vgs和Vcs均顯示出明確的波形。當(dāng)FET啟用時(shí)，iL和歸一化的Ics對(duì)應(yīng)良好。在FET缺失的情況下，Vcs = 0 V且Ics = 0 A。

Vcs通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)縮放為Ids，結(jié)果顯示在所有電流水平下與Ids保持良好的一致性。測(cè)得的電流傳感響應(yīng)時(shí)間約為200 ns，該值小于或等于常見控制器的消隱時(shí)間。

當(dāng)FET關(guān)閉時(shí)，排水電流(Ids)和收集電流(Ics)都會(huì)縮放至零。CCM工藝通常在推挽PFC和降壓變換器中觀察到。

60瓦GaN適配器

新設(shè)備還經(jīng)過(guò)了與商業(yè)60瓦高密度適配器的測(cè)試。通過(guò)對(duì)離散FET + RSENSE結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整，RSENSE組件被去除。相反，該單元的CS引腳連接到控制器的CS引腳。這使得控制器能夠接收有關(guān)主FET電流的信息，用于峰值電流調(diào)節(jié)和過(guò)流保護(hù)。

在連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)小時(shí)(90 VAC，20 VOUT，3 A)后，GaN設(shè)備的溫度達(dá)到92°C，安全低于約125°C的工作極限，因此無(wú)需強(qiáng)制冷卻。

與傳統(tǒng)的離散GaN FET + RSENSE方法相比，采用當(dāng)前傳感解決方案的GaN實(shí)現(xiàn)了0.4%的效率提升。同樣，一種RDS(on)約為350 mΩ且具備CS能力的成本較低的GaN FET也能在效率和熱性能上與傳統(tǒng)配置(由150 mΩ的RDS(on)和傳感電阻RSENSE組成)實(shí)現(xiàn)可比性。