下一代电源设备 (SiC/GaN)

电流传感器

本页就用于 SiC 或 GaN 的下一代电源设备用途中一般使用的

1.图腾柱 PFC 电路

2.相位漂移 DCDC 电路

的电流检测,提出最适合的 AKM 推荐产品与优势的建议。

下一代电源设备

Si 电源设备的课题

电源设备是指用于电力系统的半导体元件,目前较多使用 Si-IGBT 或 Si-MOSFET。可通过提高电源设备开关动作的频率,减小线圈或变压器等无源部件,实现“系统的小型化”。但是,如果对 Si-MOSFET 或 Si-IGBT 提高频率,开关动作的损耗则会增大,无法做到“系统的高效化”。因此,使用 Si-IGBT 或 Si-MOSFET 的电力系统难以兼顾“系统的小型化”与“系统的高效化”。

图1 功率器件高频化所引起的尺寸和开关损耗的变化(Si→SiC,GaN) 图1 功率器件高频化所引起的尺寸和开关损耗的变化(Si→SiC,GaN)

下一代电源设备的优点

另一方面,由于下一代电源设备 SiC-MOSFET 或 GaN-MOSFET 进行高频开关动作时的损耗非常低,因此,不会降低系统的转换效率,这使得无源部件的小型化成为可能。这样一来,作为下一代电源设备,SiC-MOSFET 或 GaN-MOSFET 备受业界关注,开始用于EV、商用空调 (PAC)、服务器用电源、工业设备用电源、UPS(不停电电源)、太阳能功率调节器等广泛的用途。图 2 所示为使用 Si、SiC、GaN 的电源设备的电力容量与开关频率比较,以及使用这些参数的电力系统的典型应用。
通过将电源设备从 Si 切换为 SiC 或 GaN,电力容量变得更大,也可以适用于开关频率更高的范围。
AKM 的电流传感器的体积比较小,适用于 60Arms 这样的高速响应,因此,适合于使用 SiC 或 GaN 的应用的电流检测。
随着今后大电流化、高带宽化的不断推进,SiC/GaN 的应用范围也会不断扩大。下面说明作为典型应用中的主流的“图腾柱 PFC 电路 ”与“ 相位漂移 DCDC 电路”的优点以及最佳电流检测方式的选择方法。

图 2 下一代功率器件在其主要应用中的功率容量和开关频率的比较 图 2 下一代功率器件在其主要应用中的功率容量和开关频率的比较

图腾柱 PFC 电路

* PFC 为 Power Factor Correction 的缩写,指的是“功率因数校正”。

自从制定了谐波电流抑制规定,其内置于开关电源等中。原来以使用二极管电桥的 PFC 电流为主流,但二极管电桥部分的电力损耗较大,难以实现“系统的高效化”。为了解决这一课题,取代二极管电桥而使用电力损耗较小的电源设备的“图腾柱 PFC 电路”开始受到业界关注。( 图 3)通过使用即使高频时电力损耗也较小的下一代电源设备,可兼顾“系统的高效化”与“系统的小型化”。下面介绍为最大限度发挥图腾柱 PFC 电路的优点而要求电流检测部分具备的特性。

图3 图腾柱PFC电路 图 3 图腾柱PFC电路

对于图腾柱 PFC 电路的电流检测部分而言,下述 5 个项目是十分重要的。

  1. 绝缘设计
  2. 零电流测量精度
  3. 响应速度
  4. 发热
  5. 尺寸/面积

 

表1所述为上述 5 个项目的AKM电流传感器 IC、电流互感器 ( 以下简称CT)、分流电阻 + 绝缘放大器的比较结果。AKM 的电流传感器 IC 是可满足 5 个重要项目的唯一的电流检测方式。另一方面,CT、分流电阻 + 绝缘放大器构成也存在各自的课题。下面说明各项目的重要理由以及 3 种电流检测方式的优缺点。

表1 电流检测方式的比较

表1 电流检测方式的比较

1. 绝缘设计

原来的 PFC 电路包括对流入地线 ( 以下简称 GND) 的电流进行检测的方法。由于图腾柱 PFC 电路采用开关元件的 ON/OFF 组合且存在不经过 GND 的电流路径 ( 通过图 3 所示蓝线的路径 ),因此,需要在 AC 电源的高压侧检测电流。这样就需要在的电流检测部分的一次侧与二级侧之间进行绝缘。
分流电阻 + 绝缘放大器的一次侧与二次侧需要绝缘放大器的驱动电源,这使得电路构成更加复杂。
而 AKM 的电流传感器 IC 或电流互感器不需要一次侧电源,因此,绝缘设计非常容易。

2. 零电流测量精度

为图腾柱 PFC 电路时,需要准确检测输入电流的极性切换时序。
因此要求电流检测部分具有零电流测量精度。CT 会受磁滞的影响,因此该零电流测量精度成为一大课题。
由于 AKM 的电流传感器 IC 没有磁滞,因此零电流测量精度较高是其优点。

3. 响应速度

使用下一代电源设备时,由于短路耐量较小,因此需要瞬时检测过电流并进行保护。这样就需要电流检测部分具有较快的响应速度。要通过 CT 实现较快的响应速度的话,还面临着 CT 尺寸过大的课题。分流电阻 + 绝缘放大器的响应速度通常为 1μsec 或以上,不适用于保护短路耐量较小的下一代电源设备。体积小型化的 AKM 的电流传感器 IC 实现了 1μsec 或以下的响应速度,因此最适合于下一代电源设备的过电流检测。

4. 发热

电流检测部分的发热较大时,需要采取增加散热面积的发热措施,从“系统的小型化”的角度来看,这会成为问题。为分流电阻 + 绝缘放大器构成时,会因电流流过分流电阻而产生较大的发热。AKM 电流传感器 IC 的流过电流的一次导体的电阻值低至 0.27mΩ,因此,可抑制发热 (与 3mΩ 分流电阻相比,发热约为 1/10),也有助于系统的小型化。

5. 尺寸 / 面积

部件的尺寸或面积较大时,难以实现 “系统的小型化”。

要通过 CT 实现较快的响应速度的话,还面临着 CT 尺寸过大的课题。分流电阻 + 绝缘放大器需要一次侧与二次侧的电源或输入滤波器等各种外围部件,因此安装面积会增大。AKM 电流传感器 IC 的封装尺寸较小,而且不需要分流电阻 + 绝缘放大器构成中提到的外围部件,因此,是最适合于“系统的小型化”的电流检测方式。

更多信息请查看此链接。

相位漂移 DCDC 电路

相位漂移 DCDC 电路是 DCDC 电路中转换效率较高的电路 ( 请参照图 4)。通过使用电力损耗较小的下一代电源设备,相位漂移 DCDC 电路与图腾柱 PFC 电路同样,可在原理上通过高频化实现无源部件 ( 主要是变压器 ) 的小型化。作为避免发生变压器小型化进程中的磁饱和问题的方法,一般采用“峰值电流控制”,以便在磁饱和点之前流过电流。该方式需要无延迟且高精度地测量峰值电流。这种电流检测方式主要使用 CT,但今后要通过高频化进一步减小变压器的体积时,还面临着2个课题。

图 4 相移DCDC电路 图 4 相移DCDC电路

第一个是 CT 的带宽。为了无延迟地检测峰值电流,需要较大的带宽,但要在CT中实现较大的带宽时,则需要增大尺寸。

第二个是 CT 的测量精度。测量精度是指零电流电压、非线性、电流灵敏度的组合精度。CT 会受到磁滞等的影响,导致测量精度较差,无法准确地检测峰值电流。如果推进变压器的小型化,磁饱和点则会降低,这就需要更准确地测量峰值电流。以 CT 的测量精度是很难办到的。

 

与此相对,AKM 的电流传感器IC具有下述优点:

  • 带宽较宽
  • 精度较高

 

AKM 电流传感器 IC 的带宽较宽,而且属于小型封装,即使高频时也不存在 CT 那样的尺寸方面的课题。另外,精度较高,可准确地检测峰值电流,因此,即使高频时也可以避免变压器的磁饱和,有助于推进小型化。

 

关于 AKM 的电流传感器 IC (Currentier) 的更多信息,请参考以下内容。

选择表

Current 
Sensor 
Type
Package Supply
Voltage
Output
Voltage
Effective
Current
Measurement
Range
Bipolar /
Unipolar
Ratiometric/
Non-Ratiometric
Creepage
Clearance
Working
Voltage *
Product 
Name
Product
Series
[V] [V] [Arms] [Apeak] [mm] [Vrms]
Coreless SOP 5.0 5.0 60 ± 5.3 to ± 180
Bipolar Retiometric ≧ 8.0 1118 CZ370x CZ37 系列
0 to 345.2 Unipolar CZ372x 
3.0 50 ± 11.6 to ± 166.6 Bipolar Non-Ratiometric CZ3AGx CZ3A 系列
3.3 3.3 ± 12.9 to ± 129.1 CZ3A0x
5.0 5.0 20 ± 4.5 to ± 42 Bipolar
Retiometric ≧ 5.0 1000 CQ330x CQ3 系列
± 20.5 to 42 Unipolar
3.3 3.3 ± 8.5 to ± 44 Bipolar CQ320x
20.9 Unipolar
Through
Hole 
DIP 5.0 5.0 50 ± 21 to ± 170 Bipolar ≧ 13.3 1330 CQ233x CQ2 系列
3.3 3.3 ± 21 to ± 85 CQ223x
5.0 5.0 ± 170 ≧ 2.7 270 CQ2366