WBG 功率转换器的电流感应挑战是什么？

WBG的高频切换带来了与带宽和速度相关的挑战，这些挑战可以通过新的传感技术来解决。此外，氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件对短路条件的耐受性和电流传感要求不同。

当使用GaN 器件时，具有捕获超快速短路事件所需带宽的电流传感器至关重要，因为 GaN 器件的短路耐受时间比 Si 和 SiC 器件短得多。因此，Si 基电源转换器中使用的电流传感器通常也适用于 SiC 应用，但不适用于 GaN。

例如，罗氏线圈 (RC) 在高功率应用中很常见，因为它们可以提供电流隔离、进行高电流测量并且易于集成。然而，RC 的带宽限制在数十 MHz，如下所述，人们正在努力设计带宽为 3 GHz 及更高的新一代 RC，以用于 WBG。

许多现有电流传感器的带宽有限，因此很难将其与 SiC 和 GaN 器件一起使用。SiC 器件 (BW SiC ) 的带宽要求超过 100 MHz，而对于 GaN 器件，BW GaN的带宽要求超过 500 MHz(图 1)。许多现有传感技术的带宽有限，因此难以或不适合 WBG 使用。因此，人们正在探索和开发新的电流传感技术。

图 1. BW SiC超过 100 MHz，BWGaN 超过 500 MHz，使用这些 WBG 设备时电流感应尤其具有挑战性。

本讨论主要关注 WBG 应用的带宽要求。然而，隔离能力、尺寸、测量直流电流的能力、EMI 抗扰度、热稳定性、精度、线性度、功耗和成本等因素差异很大。隔离对于高压应用至关重要，而 EMI 抗扰度通常是使用高频和高功率 WBG 电源转换器时的一个重要考虑因素。

目前大多数传感技术都难以达到几十kHz的带宽，即使是高带宽设备一般也限制在几十MHz，这对于许多WBG应用来说是不够的(图2)。

图 2. 所选电流传感方法的潜在带宽比较。

改进的罗氏线圈

对于高功率 WBG 应用，已经开发出一种改进的 RC，可将带宽从数十 MHz 扩展到 3+ GHz。在传统 RC 中，带宽受到自感和寄生电容相互作用引起的谐振的限制。新的传输线 (TL) RC 解决了电感和电容的限制。该传感器还采用双端阻抗匹配，以确保 GHz 级的高信号完整性。

设备集成电流检测

已经开发出不同的集成电流感应方法，用于增强模式、e 模式、(通常关闭)GaN 器件以及结合常开 GaN HEMT 和常关 Si MOSFET 的共源共栅器件。

开发了一种带有 17 MHz 带宽电隔离电流传感器的级联 GaN 半桥。当集成到半桥模块中时，新 IC 可提高开关频率并减小电容器和电感器的尺寸，从而有助于缩小解决方案尺寸。它由 650 V 耗尽型 GaN FET 组成，由使用 25 V N 沟道横向扩散 MOS FET (LDMOS) 的低传播延迟栅极驱动器切换。

LDMOS 还可用作电流感应的分流电阻。电流检测 LDMOS 的导通电阻因工艺、电压和温度 (PVT) 变化而变化，可使用参考 LDMOS 进行补偿。隔离栅上的数字校准环路可使电流传感器增益在工作温度范围内保持在 ±1.5% 以内

在另一个例子中，一个小型“电流镜”已与 e-mode GaN 功率 FET 并联单片制造。传感“镜像”FET 的电阻比主功率 FET 大 1,500 倍，因此电流传感的功率损耗可以忽略不计。此外，由于是单片集成，两个器件的导通电阻和温度效应可以抵消，不会影响电流传感精度。过流传感时间可以短至 30 纳秒，而传统方法则为 180 纳秒。

概括

使用 WBG 时，存在许多与电流感应相关的挑战。带宽和速度是其中最重要的两个。大多数现有的电流感应技术不适合与 WBG 一起使用。因此，有几个小组正在研究替代方案，从改进的 RC 到将电流感应与 WBG 设备集成的各种方法。