集成与外部电流检测电阻

　　在电力电子应用中，例如反激式转换器或功率因数校正 ( PFC )，通常会检测开关电流以进行峰值/谷值电流模式控制或过流保护。如表 1 所示，有几种方法可以执行此任务。

　　常用的电流检测方法。
　　表 1：常用的电流检测方法
　　CS 通常使用与主 FET 串联的外部分流电阻或电流变压器来实现。这种新颖的方法使用集成电流检测电阻，无需外部电源。
　　通过将 CS 集成到 GaN 开关中，可以限度地减少检测电阻造成的损耗，从而提高效率并增加散热。此外，该解决方案还优化了栅极环路拓扑，通过在源极和接地网络之间建立直接连接，使 GaN FET 的栅极源极电压 (V gs ) 更清晰。
　　图 1 显示了传统和新 CS 方法之间的比较。种方法使用分立的 GaN FET 和外部 R SENSE电阻，而建议的解决方案使用带有集成电流检测电阻的 GaN FET。请注意，需要额外的引脚 (CS)。
　　CS 输出的电流 (I cs ) 是初级 FET 电流 (I ds )的一部分。设置电阻 (R set ) 位于 CS 和 SS 之间，用于将电流 (I cs ) 转换为电压 (V cs )。稍后可以添加 RC 滤波器作为消除振铃和开关噪声的可选措施。所需的精度水平在 4.0 A 电流下为 -3.5% 至 3.5% 范围内，温度范围为 0°C 至 105°C。这种精度水平足以满足多种控制器的要求，包括 QR 反激式、AHB 和 PFC。

　　传统解决方案与新颖解决方案的比较。

　　图 1：传统解决方案与新型解决方案的比较（来源：Xia, Y., Milner, L., & Zhang, Z., 2024）
　　集成 CS 的优势
　　集成CS解决方案的主要优势如下：
　　通过限度地减少传感电阻的损耗并消除热点，可以提高效率。为了获得与传统分立式 GaN 系统相当的效率，可以使用具有更大 R DS(on)的集成式 GaN ，从而获得成本效益。
　　开尔文源可用于驱动、清洁驱动环路和接地。在分立方法中，由于存在共源电感，并且当电流通过时， R SENSE会引起波动电压，因此无法使用开尔文源。
　　所提出的解决方案不需要额外的供给。这使得该解决方案紧凑且用户友好。
　　只需从带有检测电阻的传统配置进行简单迁移即可。通过使用 0 Ω 电阻，可以修改相同的 PCB 布局，使其与新 IC 元件和传统分立 GaN + R SENSE兼容。
　　很容易并行。
　　在新 IC 元件中加入辅助电路可将 ESD 从 200 V 提高到 2 kV。一般而言，除非采用 GaN 工艺 ESD 电路，否则 GaN FET 的 ESD 额定值较低，而 GaN 工艺 ESD 电路的发展程度不如硅 ESD 电路。
　　实验结果
　　所提出的解决方案采用 5 × 6 毫米 PDFN 封装，已使用 400 V 6 A 双脉冲测试 (DPT) 进行了测试，从而评估了干净的主 FET 开关特性以及准确、快速的电流感应性能。所采用的 DPT 测试配置的原理图如图 2 所示。
　　双脉冲试验的试验示意图。
　　图 2：双脉冲试验的试验示意图（来源：Xia, Y., Milner, L., & Zhang, Z., 2024）
　　图 3 显示了 400 V 6 A 硬开关开启和硬开关关闭时的 FET 开关行为。使用图 2 所示的 DPT 测试设备评估 CS 性能。虽然 V ds振铃小于其稳态值的 20%，但 V gs和 V cs均表现出清晰的波形。当 FET 启用时，i L和归一化 I cs对应良好。在没有 FET 的情况下，V cs = 0 V 和I cs = 0 A。
　　使用数学函数将V cs缩放到 I ds，结果表明在所有电流水平上与 I ds具有出色的一致性。测得的电流感应响应时间约为 200 ns，该值小于或等于通用控制器消隐时间。

　　该装置的 400 V 6 A 多脉冲硬开关测试结果。

　　图 3：该装置的 400 V 6 A 多脉冲硬开关测试结果（来源：Xia, Y., Milner, L., & Zhang, Z., 2024）
　　当 FET 关断时，漏极电流 (I ds ) 和集电极电流 (I cs ) 均会减小至零。CCM 过程通常在图腾柱 PFC 和降压转换器中观察到。
　　60W GaN 适配器
　　新器件还经过了商用 60W 高密度适配器的测试。通过对分立 FET + R SENSE结构进行简单调整，R SENSE组件被取消。相反，该装置的 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初级 FET 电流的信息，用于峰值电流调节和过流保护。
　　经过两小时的连续运行（90 V AC、20 V OUT、3 A），GaN 器件的温度达到 92°C，安全地低于约 125°C 的运行极限，因此无需强制冷却。
　　与传统的分立式 GaN FET + R SENSE方法相比，采用 GaN 电流检测解决方案可获得 0.4% 的效率优势。同样，价格较便宜的 GaN FET（R DS(on)约为 350 mΩ）和 CS 功能可实现与由 150 mΩ R DS(on)和检测电阻 (R SENSE ) 组成的传统设置相当的效率和热性能。