WBG 功率轉(zhuǎn)換器的電流感應(yīng)挑戰(zhàn)是什么？

WBG的高頻切換帶來(lái)了與帶寬和速度相關(guān)的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可以通過(guò)新的傳感技術(shù)來(lái)解決。此外，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件對(duì)短路條件的耐受性和電流傳感要求不同。

當(dāng)使用GaN 器件時(shí)，具有捕獲超快速短路事件所需帶寬的電流傳感器至關(guān)重要，因?yàn)?GaN 器件的短路耐受時(shí)間比 Si 和 SiC 器件短得多。因此，Si 基電源轉(zhuǎn)換器中使用的電流傳感器通常也適用于 SiC 應(yīng)用，但不適用于 GaN。

例如，羅氏線圈 (RC) 在高功率應(yīng)用中很常見(jiàn)，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁╇娏鞲綦x、進(jìn)行高電流測(cè)量并且易于集成。然而，RC 的帶寬限制在數(shù)十 MHz，如下所述，人們正在努力設(shè)計(jì)帶寬為 3 GHz 及更高的新一代 RC，以用于 WBG。

許多現(xiàn)有電流傳感器的帶寬有限，因此很難將其與 SiC 和 GaN 器件一起使用。SiC 器件 (BW SiC ) 的帶寬要求超過(guò) 100 MHz，而對(duì)于 GaN 器件，BW GaN的帶寬要求超過(guò) 500 MHz(圖 1)。許多現(xiàn)有傳感技術(shù)的帶寬有限，因此難以或不適合 WBG 使用。因此，人們正在探索和開(kāi)發(fā)新的電流傳感技術(shù)。

圖 1. BW SiC超過(guò) 100 MHz，BWGaN 超過(guò) 500 MHz，使用這些 WBG 設(shè)備時(shí)電流感應(yīng)尤其具有挑戰(zhàn)性。

本討論主要關(guān)注 WBG 應(yīng)用的帶寬要求。然而，隔離能力、尺寸、測(cè)量直流電流的能力、EMI 抗擾度、熱穩(wěn)定性、精度、線性度、功耗和成本等因素差異很大。隔離對(duì)于高壓應(yīng)用至關(guān)重要，而 EMI 抗擾度通常是使用高頻和高功率 WBG 電源轉(zhuǎn)換器時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。

目前大多數(shù)傳感技術(shù)都難以達(dá)到幾十kHz的帶寬，即使是高帶寬設(shè)備一般也限制在幾十MHz，這對(duì)于許多WBG應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不夠的(圖2)。

圖 2. 所選電流傳感方法的潛在帶寬比較。

改進(jìn)的羅氏線圈

對(duì)于高功率 WBG 應(yīng)用，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種改進(jìn)的 RC，可將帶寬從數(shù)十 MHz 擴(kuò)展到 3+ GHz。在傳統(tǒng) RC 中，帶寬受到自感和寄生電容相互作用引起的諧振的限制。新的傳輸線 (TL) RC 解決了電感和電容的限制。該傳感器還采用雙端阻抗匹配，以確保 GHz 級(jí)的高信號(hào)完整性。

設(shè)備集成電流檢測(cè)

已經(jīng)開(kāi)發(fā)出不同的集成電流感應(yīng)方法，用于增強(qiáng)模式、e 模式、(通常關(guān)閉)GaN 器件以及結(jié)合常開(kāi) GaN HEMT 和常關(guān) Si MOSFET 的共源共柵器件。

開(kāi)發(fā)了一種帶有 17 MHz 帶寬電隔離電流傳感器的級(jí)聯(lián) GaN 半橋。當(dāng)集成到半橋模塊中時(shí)，新 IC 可提高開(kāi)關(guān)頻率并減小電容器和電感器的尺寸，從而有助于縮小解決方案尺寸。它由 650 V 耗盡型 GaN FET 組成，由使用 25 V N 溝道橫向擴(kuò)散 MOS FET (LDMOS) 的低傳播延遲柵極驅(qū)動(dòng)器切換。

LDMOS 還可用作電流感應(yīng)的分流電阻。電流檢測(cè) LDMOS 的導(dǎo)通電阻因工藝、電壓和溫度 (PVT) 變化而變化，可使用參考 LDMOS 進(jìn)行補(bǔ)償。隔離柵上的數(shù)字校準(zhǔn)環(huán)路可使電流傳感器增益在工作溫度范圍內(nèi)保持在 ±1.5% 以內(nèi)

在另一個(gè)例子中，一個(gè)小型“電流鏡”已與 e-mode GaN 功率 FET 并聯(lián)單片制造。傳感“鏡像”FET 的電阻比主功率 FET 大 1,500 倍，因此電流傳感的功率損耗可以忽略不計(jì)。此外，由于是單片集成，兩個(gè)器件的導(dǎo)通電阻和溫度效應(yīng)可以抵消，不會(huì)影響電流傳感精度。過(guò)流傳感時(shí)間可以短至 30 納秒，而傳統(tǒng)方法則為 180 納秒。

概括

使用 WBG 時(shí)，存在許多與電流感應(yīng)相關(guān)的挑戰(zhàn)。帶寬和速度是其中最重要的兩個(gè)。大多數(shù)現(xiàn)有的電流感應(yīng)技術(shù)不適合與 WBG 一起使用。因此，有幾個(gè)小組正在研究替代方案，從改進(jìn)的 RC 到將電流感應(yīng)與 WBG 設(shè)備集成的各種方法。