Ett team av Fraunhofer-forskare har lyckats avsevärt förbättra funktionaliteten hos GaN-effekt-IC:er för spänningsomvandlare:forskarna vid Fraunhofer IAF integrerade ström- och temperaturgivare på ett GaN-baserat halvledarkrets, tillsammans med effekttransistorer, frihjulsdioder och grindförare. Denna utveckling banar väg för mer kompakta och effektiva inbyggda laddare i elfordon.

För att fordon med eldrift ska bli en varaktig närvaro i samhället, det måste finnas större flexibilitet när det gäller laddningsalternativ. För att använda laddstationer med växelström, väggladdningsstationer eller konventionella uttag där det är möjligt, användare är beroende av inbyggda laddare. Eftersom denna laddningsteknik bärs i fordonet, den måste vara så liten och lätt som möjligt, och också kostnadseffektivt. Det kräver därför extremt kompakt men ändå effektivt kraftelektroniksystem som spänningsomvandlare.

Flera komponenter på ett enda chip

Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF har forskat om monolitisk integration inom kraftelektronik i flera år. Detta kräver flera komponenter, t.ex. kraftkomponenter, styrkretsen och sensorerna som ska kombineras på ett enda halvledarchip. Konceptet använder halvledarmaterialet galliumnitrid. Tillbaka 2014, forskarna vid Fraunhofer IAF lyckades integrera inneboende frihjulsdioder och grindrivare på en effekttransistor av 600V-klass. År 2017, en monolitisk GaN halvbro drevs sedan vid 400V för första gången.

De senaste forskningsresultaten kombinerar ström- och temperatursensorer och effekttransistorer i 600V-klass med inneboende frihjulsdioder och grindrivare i en GaN power IC för första gången. Som en del av forskningsprojektet GaNIAL, forskarna har tillhandahållit funktionell verifiering av full funktionalitet i en GaN power IC, uppnå ett genombrott i integreringstätheten hos kraftelektroniksystem. "Genom att dessutom integrera sensorer på GaN -chipet, vi har lyckats avsevärt förbättra funktionaliteten i vår GaN -teknik för kraftelektronik, "förklarar doktor Patrick Waltereit, projektledare för GaNIAL och biträdande chef för affärsenheten Power Electronics på Fraunhofer IAF.

Integrerade sensorer för direktkontroll

Jämfört med konventionella spänningsomvandlare, den nyutvecklade kretsen möjliggör samtidigt inte bara högre kopplingsfrekvenser och en högre effekttäthet; det ger också snabb och noggrann tillståndsövervakning inom själva chipet. "Även om den ökade omkopplingsfrekvensen för GaN-baserad kraftelektronik möjliggör allt mer kompakta konstruktioner, detta resulterar i ett större krav på deras övervakning och kontroll. Detta innebär att det är en stor fördel att ha sensorer integrerade i samma chip, "understryker Stefan Mönch, en forskare i affärsenheten Power Electronics vid Fraunhofer IAF.

Tidigare, ström- och temperatursensorer implementerades externt i förhållande till GaN -chipet. Den integrerade strömsensorn möjliggör nu återkopplingsfri mätning av transistorströmmen för slutna slingor och kortslutningsskydd, och sparar utrymme jämfört med vanliga externa strömsensorer. Den integrerade temperaturgivaren möjliggör direkt mätning av effekttransistorns temperatur, därigenom kartlägga denna termiskt kritiska punkt betydligt snabbare och mer exakt än tidigare externa sensorer, eftersom avståndet och resulterande temperaturskillnad mellan sensorn och mätpunkten elimineras genom den monolitiska integrationen.

"Den monolitiska integrationen av GaN -effektelektroniken med sensorer och styrkrets sparar utrymme på chipytan, minskar utlägget vid montering och förbättrar tillförlitligheten. För applikationer som kräver mycket mycket små, effektiva system som ska installeras i begränsat utrymme, såsom i elektromobilitet, detta är avgörande, "säger Mönch, som utformade den integrerade kretsen för GaN -chipet. Mäter bara 4x3 mm², GaN-chipet är grunden för vidareutvecklingen av mer kompakta ombordladdare.

Utnyttjar den unika egenskapen hos galliumnitrid

För den monolitiska integrationen, forskargruppen använde halvledarmaterialet galliumnitrid avsatt på ett kiselsubstrat (GaN-on-Si). Det unika kännetecknet för GaN-on-Si kraftelektronik är materialets laterala natur:strömmen flyter parallellt med chipets yta, vilket betyder att alla anslutningar är placerade på toppen av chippet och är anslutna via ledarbanor. Denna laterala struktur av GaN -komponenterna möjliggör monolitisk integration av flera komponenter, såsom transistorer, förare, dioder och sensorer, på ett enda chip. "Galliumnitrid har en ytterligare avgörande marknadsfördel jämfört med andra bredbandiga halvledare, såsom kiselkarbid:GaN kan deponeras på kostnadseffektivt, stora kiselsubstrat, gör den lämplig för industriella applikationer, ”förklarar Mönch.