GaN FET(场效应晶体管)中集成电流传感的优势

本文重点介绍了一项新发展：将电流传感(CS)直接集成到采用PDFN封装的氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)中，且无需外部供电。我们将深入探讨这一解决方案的优势、性能以及通过60W适配器电子验证板获得的实验结果。

集成电流传感器与外部电流传感电阻的比较

在电力电子应用中，例如反激式变换器或功率因数校正(PFC)，通常需要检测开关电流，以实现峰值/谷值电流模式控制或过流保护。如表1所示，有多种方法可以完成这项任务。

电流传感通常是通过与主FET串联连接的外部分流电阻或电流变压器来实现的。这种新方法采用集成电流传感电阻，无需外部电源。

表1

通过将电流传感集成到GaN开关中，可以最小化因传感电阻造成的损失，从而提高效率并增加热耗散。此外，该解决方案优化了门回路拓扑，通过在源极和接地之间建立直接连接，从而实现GaN FET的更清晰的门源电压(Vgs)。

传统电流传感方法与新方法的比较如图1所示。前者使用离散的GaN FET和外部的RSENSE电阻，而提议的解决方案则使用带有集成电流传感电阻的GaN FET。需要注意的是，额外的引脚(CS)是必需的。

电流传感输出(Ics)是主FET电流(Ids)的一部分。设置电阻(Rset)放置在CS和SS之间，将电流(Ics)转化为电压(Vcs)。可以在后期增加RC滤波器作为可选措施，以消除振铃和开关噪声。在4.0 A电流下，所需的准确度范围在-3.5%到3.5%之间，温度范围为0°C至105°C。这个准确度水平足以满足多种控制器的要求，包括QR反激、AHB和PFC。

图1

集成电流传感的优势

集成电流传感解决方案的主要优势包括：

通过最小化传感电阻导致的损失和消除热热点来提高效率。为了获得与传统离散GaN系统相当的效率，可以使用具有更高RDS(on)的集成GaN，从而获得成本优势。

可以使用Kelvin源来驱动，更清晰的驱动回路和接地。在离散方法中，由于存在公共源电感以及RSENSE在电流通过时引起的波动电压，无法使用Kelvin源。

该解决方案无需额外电源。这使得解决方案紧凑且易于使用。

从传统配置迁移到使用传感电阻的配置非常简单。通过使用0Ω电阻，可以将相同的PCB布局修改为兼容新IC组件和传统的离散GaN + RSENSE。

新IC组件中辅助电路的加入将ESD从200 V提高到2 kV。一般来说，GaN FET的ESD评级较低，除非采用GaN工艺的ESD电路，该电路的开发水平低于硅ESD电路。

实验结果

该提议的解决方案采用5×6毫米的PDFN封装，经过400 V 6 A双脉冲测试(DPT)，从而评估主要FET开关特性和准确快速的电流传感性能。采用的DPT测试配置的电路图如图2所示。

图2

在400 V 6 A硬开关开关和硬关断期间，FET的开关行为如图3所示。通过图2所示的DPT测试设备评估CS性能。当Vds的振铃小于其稳态值的20%时，Vgs和Vcs均显示出明确的波形。当FET启用时，iL和归一化的Ics对应良好。在FET缺失的情况下，Vcs = 0 V且Ics = 0 A。

Vcs通过数学函数缩放为Ids，结果显示在所有电流水平下与Ids保持良好的一致性。测得的电流传感响应时间约为200 ns，该值小于或等于常见控制器的消隐时间。

图3

当FET关闭时，排水电流(Ids)和收集电流(Ics)都会缩放至零。CCM工艺通常在推挽PFC和降压变换器中观察到。

60瓦GaN适配器

新设备还经过了与商业60瓦高密度适配器的测试。通过对离散FET + RSENSE结构进行简单调整，RSENSE组件被去除。相反，该单元的CS引脚连接到控制器的CS引脚。这使得控制器能够接收有关主FET电流的信息，用于峰值电流调节和过流保护。

在连续运行两个小时(90 VAC，20 VOUT，3 A)后，GaN设备的温度达到92°C，安全低于约125°C的工作极限，因此无需强制冷却。

与传统的离散GaN FET + RSENSE方法相比，采用当前传感解决方案的GaN实现了0.4%的效率提升。同样，一种RDS(on)约为350 mΩ且具备CS能力的成本较低的GaN FET也能在效率和热性能上与传统配置(由150 mΩ的RDS(on)和传感电阻RSENSE组成)实现可比性。