GaN power IC'er med integrerede sensorer til effektiv opladning af elektriske køretøjer

Et team af Fraunhofer-forskere har haft held med at forbedre funktionaliteten af ​​GaN-strøm-IC'er til spændingsomformere væsentligt:​​Forskerne ved Fraunhofer IAF integrerede strøm- og temperatursensorer på en GaN-baseret halvlederchip, sammen med krafttransistorer, friløbsdioder og portdrivere. Denne udvikling baner vejen for mere kompakte og effektive indbyggede opladere i elbiler.

For at køretøjer med elektrisk drev skal blive en varig tilstedeværelse i samfundet, der skal være større fleksibilitet i opladningsmulighederne. For at gøre brug af ladestationer med vekselstrøm, vægladestationer eller konventionelle stikkontakter, hvor det er muligt, brugere er afhængige af indbyggede opladere. Da denne opladningsteknologi medbringes i køretøjet, det skal være så lille og let som muligt, og også omkostningseffektivt. Det kræver derfor ekstremt kompakte, men effektive kraftelektroniksystemer såsom spændingsomformere.

Flere komponenter på en enkelt chip

Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF har forsket i monolitisk integration inden for kraftelektronik i flere år. Dette kræver flere komponenter såsom strømkomponenter, styrekredsløbet og sensorerne skal kombineres på en enkelt halvlederchip. Konceptet gør brug af halvledermaterialet galliumnitrid. Tilbage i 2014, det lykkedes forskerne ved Fraunhofer IAF at integrere friløbsdioder og gate-drivere på en 600V-klasse effekttransistor. I 2017 en monolitisk GaN halvbro blev derefter drevet ved 400V for første gang.

De seneste forskningsresultater kombinerer strøm- og temperatursensorer og effekttransistorer i 600V-klassen med iboende friløbsdioder og gate-drivere i en GaN power IC for første gang. Som en del af GaNIAL forskningsprojektet, forskerne har leveret funktionel verifikation af fuld funktionalitet i en GaN power IC, at opnå et gennembrud i integrationstætheden af ​​kraftelektroniksystemer. "Ved yderligere at integrere sensorer på GaN-chippen, det er lykkedes os at forbedre funktionaliteten af ​​vores GaN-teknologi til kraftelektronik markant, " forklarer Dr. Patrick Waltereit, projektleder for GaNIAL og souschef for Power Electronics forretningsenhed hos Fraunhofer IAF.

Integrerede sensorer til direkte styring

Sammenlignet med konventionelle spændingsomformere, det nyudviklede kredsløb muliggør samtidig ikke kun højere koblingsfrekvenser og en højere effekttæthed; det sørger også for hurtig og præcis tilstandsovervågning i selve chippen. "Selvom den øgede koblingsfrekvens af GaN-baseret kraftelektronik muliggør stadig mere kompakte designs, dette resulterer i et større krav til deres overvågning og kontrol. Det betyder, at det er en betydelig fordel at have sensorer integreret i den samme chip. " understreger Stefan Mönch, en forsker i Power Electronics-forretningsenheden ved Fraunhofer IAF.

Tidligere, strøm- og temperatursensorer blev implementeret eksternt til GaN-chippen. Den integrerede strømsensor muliggør nu feedback-fri måling af transistorstrømmen til lukket sløjfestyring og kortslutningsbeskyttelse, og sparer plads i forhold til de gængse eksterne strømsensorer. Den integrerede temperatursensor muliggør direkte måling af effekttransistorens temperatur, derved kortlægge dette termisk kritiske punkt betydeligt hurtigere og mere præcist end tidligere eksterne sensorer, da afstanden og den resulterende temperaturforskel mellem sensoren og målepunktet er elimineret af den monolitiske integration.

"Den monolitiske integration af GaN-kraftelektronikken med sensorer og styrekredsløb sparer plads på chipoverfladen, reducerer udgifterne til montering og forbedrer pålideligheden. Til applikationer, der kræver mange meget små, effektive systemer, der skal installeres på begrænset plads, såsom i elektromobilitet, dette er afgørende, " siger Mönch, der har designet det integrerede kredsløb til GaN-chippen. Måler kun 4x3 mm², GaN-chippen er grundlaget for den videre udvikling af mere kompakte indbyggede opladere.

Udnytter den unikke egenskab ved galliumnitrid

For den monolitiske integration, forskerholdet brugte halvledermaterialet galliumnitrid aflejret på et siliciumsubstrat (GaN-on-Si). Den unikke egenskab ved GaN-on-Si kraftelektronik er materialets laterale karakter:strømmen flyder parallelt med chippens overflade, hvilket betyder, at alle forbindelser er placeret på toppen af ​​chippen og forbundet via lederbaner. Denne laterale struktur af GaN-komponenterne giver mulighed for den monolitiske integration af flere komponenter, såsom transistorer, chauffører, dioder og sensorer, på en enkelt chip. "Galliumnitrid har en yderligere afgørende markedsfordel sammenlignet med andre halvledere med bred båndgab, såsom siliciumcarbid:GaN kan afsættes på omkostningseffektive, siliciumsubstrater med stort areal, gør den velegnet til industrielle anvendelser, " forklarer Mönch.