本文重點介紹了一項新發展：將電流傳感(CS)直接集成到采用PDFN封裝的氮化鎵(GaN)場效應晶體管(FET)中，且無需外部供電。我們將深入探討這一解決方案的優勢、性能以及通過60W適配器電子驗證板獲得的實驗結果。

集成電流傳感器與外部電流傳感電阻的比較

在電力電子應用中，例如反激式變換器或功率因數校正(PFC)，通常需要檢測開關電流，以實現峰值/谷值電流模式控制或過流保護。如表1所示，有多種方法可以完成這項任務。

電流傳感通常是通過與主FET串聯連接的外部分流電阻或電流變壓器來實現的。這種新方法采用集成電流傳感電阻，無需外部電源。

通過將電流傳感集成到GaN開關中，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，該解決方案優化了門回路拓撲，通過在源極和接地之間建立直接連接，從而實現GaN FET的更清晰的門源電壓(Vgs)。

傳統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。設置電阻(Rset)放置在CS和SS之間，將電流(Ics)轉化為電壓(Vcs)。可以在后期增加RC濾波器作為可選措施，以消除振鈴和開關噪聲。在4.0 A電流下，所需的準確度范圍在-3.5%到3.5%之間，溫度范圍為0°C至105°C。這個準確度水平足以滿足多種控制器的要求，包括QR反激、AHB和PFC。

集成電流傳感的優勢

集成電流傳感解決方案的主要優勢包括：

通過最小化傳感電阻導致的損失和消除熱熱點來提高效率。為了獲得與傳統離散GaN系統相當的效率，可以使用具有更高RDS(on)的集成GaN，從而獲得成本優勢。

可以使用Kelvin源來驅動，更清晰的驅動回路和接地。在離散方法中，由于存在公共源電感以及RSENSE在電流通過時引起的波動電壓，無法使用Kelvin源。

該解決方案無需額外電源。這使得解決方案緊湊且易于使用。

從傳統配置遷移到使用傳感電阻的配置非常簡單。通過使用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。一般來說，GaN FET的ESD評級較低，除非采用GaN工藝的ESD電路，該電路的開發水平低于硅ESD電路。

實驗結果

該提議的解決方案采用5×6毫米的PDFN封裝，經過400 V 6 A雙脈沖測試(DPT)，從而評估主要FET開關特性和準確快速的電流傳感性能。采用的DPT測試配置的電路圖如圖2所示。

在400 V 6 A硬開關開關和硬關斷期間，FET的開關行為如圖3所示。通過圖2所示的DPT測試設備評估CS性能。當Vds的振鈴小于其穩態值的20%時，Vgs和Vcs均顯示出明確的波形。當FET啟用時，iL和歸一化的Ics對應良好。在FET缺失的情況下，Vcs = 0 V且Ics = 0 A。

Vcs通過數學函數縮放為Ids，結果顯示在所有電流水平下與Ids保持良好的一致性。測得的電流傳感響應時間約為200 ns，該值小于或等于常見控制器的消隱時間。

當FET關閉時，排水電流(Ids)和收集電流(Ics)都會縮放至零。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

新設備還經過了與商業60瓦高密度適配器的測試。通過對離散FET + RSENSE結構進行簡單調整，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主FET電流的信息，用于峰值電流調節和過流保護。

在連續運行兩個小時(90 VAC，20 VOUT，3 A)后，GaN設備的溫度達到92°C，安全低于約125°C的工作極限，因此無需強制冷卻。

與傳統的離散GaN FET + RSENSE方法相比，采用當前傳感解決方案的GaN實現了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配置(由150 mΩ的RDS(on)和傳感電阻RSENSE組成)實現可比性。