集成與外部電流檢測(cè)電阻

　　在電力電子應(yīng)用中，例如反激式轉(zhuǎn)換器或功率因數(shù)校正 ( PFC )，通常會(huì)檢測(cè)開關(guān)電流以進(jìn)行峰值/谷值電流模式控制或過流保護(hù)。如表 1 所示，有幾種方法可以執(zhí)行此任務(wù)。

　　常用的電流檢測(cè)方法。
　　表 1：常用的電流檢測(cè)方法
　　CS 通常使用與主 FET 串聯(lián)的外部分流電阻或電流變壓器來實(shí)現(xiàn)。這種新穎的方法使用集成電流檢測(cè)電阻，無需外部電源。
　　通過將 CS 集成到 GaN 開關(guān)中，可以限度地減少檢測(cè)電阻造成的損耗，從而提高效率并增加散熱。此外，該解決方案還優(yōu)化了柵極環(huán)路拓?fù)?，通過在源極和接地網(wǎng)絡(luò)之間建立直接連接，使 GaN FET 的柵極源極電壓 (V gs ) 更清晰。
　　圖 1 顯示了傳統(tǒng)和新 CS 方法之間的比較。種方法使用分立的 GaN FET 和外部 R SENSE電阻，而建議的解決方案使用帶有集成電流檢測(cè)電阻的 GaN FET。請(qǐng)注意，需要額外的引腳 (CS)。
　　CS 輸出的電流 (I cs ) 是初級(jí) FET 電流 (I ds )的一部分。設(shè)置電阻 (R set ) 位于 CS 和 SS 之間，用于將電流 (I cs ) 轉(zhuǎn)換為電壓 (V cs )。稍后可以添加 RC 濾波器作為消除振鈴和開關(guān)噪聲的可選措施。所需的精度水平在 4.0 A 電流下為 -3.5% 至 3.5% 范圍內(nèi)，溫度范圍為 0°C 至 105°C。這種精度水平足以滿足多種控制器的要求，包括 QR 反激式、AHB 和 PFC。

　　傳統(tǒng)解決方案與新穎解決方案的比較。

　　圖 1：傳統(tǒng)解決方案與新型解決方案的比較（Xia, Y., Milner, L., & Zhang, Z., 2024）
　　集成 CS 的優(yōu)勢(shì)
　　集成CS解決方案的主要優(yōu)勢(shì)如下：
　　通過限度地減少傳感電阻的損耗并消除熱點(diǎn)，可以提高效率。為了獲得與傳統(tǒng)分立式 GaN 系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男剩梢允褂镁哂懈?R DS(on)的集成式 GaN ，從而獲得成本效益。
　　開爾文源可用于驅(qū)動(dòng)、清潔驅(qū)動(dòng)環(huán)路和接地。在分立方法中，由于存在共源電感，并且當(dāng)電流通過時(shí)， R SENSE會(huì)引起波動(dòng)電壓，因此無法使用開爾文源。
　　所提出的解決方案不需要額外的供給。這使得該解決方案緊湊且用戶友好。
　　只需從帶有檢測(cè)電阻的傳統(tǒng)配置進(jìn)行簡(jiǎn)單遷移即可。通過使用 0 Ω 電阻，可以修改相同的 PCB 布局，使其與新 IC 元件和傳統(tǒng)分立 GaN + R SENSE兼容。
　　很容易并行。
　　在新 IC 元件中加入輔助電路可將 ESD 從 200 V 提高到 2 kV。一般而言，除非采用 GaN 工藝 ESD 電路，否則 GaN FET 的 ESD 額定值較低，而 GaN 工藝 ESD 電路的發(fā)展程度不如硅 ESD 電路。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　所提出的解決方案采用 5 × 6 毫米 PDFN 封裝，已使用 400 V 6 A 雙脈沖測(cè)試 (DPT) 進(jìn)行了測(cè)試，從而評(píng)估了干凈的主 FET 開關(guān)特性以及準(zhǔn)確、快速的電流感應(yīng)性能。所采用的 DPT 測(cè)試配置的原理圖如圖 2 所示。
　　雙脈沖試驗(yàn)的試驗(yàn)示意圖。
　　圖 2：雙脈沖試驗(yàn)的試驗(yàn)示意圖（Xia, Y., Milner, L., & Zhang, Z., 2024）
　　圖 3 顯示了 400 V 6 A 硬開關(guān)開啟和硬開關(guān)關(guān)閉時(shí)的 FET 開關(guān)行為。使用圖 2 所示的 DPT 測(cè)試設(shè)備評(píng)估 CS 性能。雖然 V ds振鈴小于其穩(wěn)態(tài)值的 20%，但 V gs和 V cs均表現(xiàn)出清晰的波形。當(dāng) FET 啟用時(shí)，i L和歸一化 I cs對(duì)應(yīng)良好。在沒有 FET 的情況下，V cs = 0 V 和I cs = 0 A。
　　使用數(shù)學(xué)函數(shù)將V cs縮放到 I ds，結(jié)果表明在所有電流水平上與 I ds具有出色的一致性。測(cè)得的電流感應(yīng)響應(yīng)時(shí)間約為 200 ns，該值小于或等于通用控制器消隱時(shí)間。

　　該裝置的 400 V 6 A 多脈沖硬開關(guān)測(cè)試結(jié)果。

　　圖 3：該裝置的 400 V 6 A 多脈沖硬開關(guān)測(cè)試結(jié)果（Xia, Y., Milner, L., & Zhang, Z., 2024）
　　當(dāng) FET 關(guān)斷時(shí)，漏極電流 (I ds ) 和集電極電流 (I cs ) 均會(huì)減小至零。CCM 過程通常在圖騰柱 PFC 和降壓轉(zhuǎn)換器中觀察到。
　　60W GaN 適配器
　　新器件還經(jīng)過了商用 60W 高密度適配器的測(cè)試。通過對(duì)分立 FET + R SENSE結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整，R SENSE組件被取消。相反，該裝置的 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)初級(jí) FET 電流的信息，用于峰值電流調(diào)節(jié)和過流保護(hù)。
　　經(jīng)過兩小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行（90 V AC、20 V OUT、3 A），GaN 器件的溫度達(dá)到 92°C，安全地低于約 125°C 的運(yùn)行極限，因此無需強(qiáng)制冷卻。
　　與傳統(tǒng)的分立式 GaN FET + R SENSE方法相比，采用 GaN 電流檢測(cè)解決方案可獲得 0.4% 的效率優(yōu)勢(shì)。同樣，價(jià)格較便宜的 GaN FET（R DS(on)約為 350 mΩ）和 CS 功能可實(shí)現(xiàn)與由 150 mΩ R DS(on)和檢測(cè)電阻 (R SENSE ) 組成的傳統(tǒng)設(shè)置相當(dāng)?shù)男屎蜔嵝阅堋?br>