Een team van Fraunhofer-onderzoekers is erin geslaagd de functionaliteit van GaN-stroom-IC's voor spanningsomzetters aanzienlijk te verbeteren:de onderzoekers van Fraunhofer IAF integreerden stroom- en temperatuursensoren op een op GaN gebaseerde halfgeleiderchip, samen met vermogenstransistors, vrijloopdiodes en gate-drivers. Deze ontwikkeling maakt de weg vrij voor compactere en efficiëntere boordladers in elektrische voertuigen.

Voor voertuigen met elektrische aandrijving om een ​​blijvende aanwezigheid in de samenleving te worden, er moet meer flexibiliteit komen in oplaadmogelijkheden. Om gebruik te maken van laadpalen die gebruik maken van wisselstroom, wandlaadstations of conventionele stopcontacten waar mogelijk, gebruikers zijn afhankelijk van ingebouwde laders. Aangezien deze oplaadtechnologie in het voertuig wordt vervoerd, het moet zo klein en licht mogelijk zijn, en ook nog eens kostenbesparend. Het vereist daarom extreem compacte maar efficiënte vermogenselektronicasystemen zoals spanningsomvormers.

Meerdere componenten op één chip

Het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Solid State Physics IAF doet al enkele jaren onderzoek naar monolithische integratie op het gebied van vermogenselektronica. Hiervoor zijn verschillende componenten nodig, zoals stroomcomponenten, het stuurcircuit en de sensoren worden gecombineerd op een enkele halfgeleiderchip. Het concept maakt gebruik van het halfgeleidermateriaal galliumnitride. Terug in 2014, de onderzoekers van Fraunhofer IAF zijn erin geslaagd intrinsieke vrijloopdiodes en gate-drivers te integreren op een vermogenstransistor van de 600V-klasse. in 2017, een monolithische GaN-halfbrug werd vervolgens voor het eerst op 400V gebruikt.

De nieuwste onderzoeksresultaten combineren voor het eerst stroom- en temperatuursensoren en vermogenstransistors van 600V-klasse met intrinsieke vrijloopdiodes en gate-drivers in een GaN-vermogens-IC. Als onderdeel van het GaNIAL-onderzoeksproject, de onderzoekers hebben functionele verificatie van volledige functionaliteit geleverd in een GaN power IC, het bereiken van een doorbraak in de integratiedichtheid van vermogenselektronicasystemen. "Door extra sensoren op de GaN-chip te integreren, we zijn erin geslaagd de functionaliteit van onze GaN-technologie voor vermogenselektronica aanzienlijk te verbeteren, " legt Dr. Patrick Waltereit uit, projectmanager van GaNIAL en plaatsvervangend hoofd van de business unit Power Electronics bij Fraunhofer IAF.

Geïntegreerde sensoren voor directe controle

In vergelijking met conventionele spanningsomzetters, de nieuw ontwikkelde schakeling maakt tegelijkertijd niet alleen hogere schakelfrequenties en een hogere vermogensdichtheid mogelijk; het zorgt ook voor snelle en nauwkeurige conditiebewaking binnen de chip zelf. "Hoewel de verhoogde schakelfrequentie van op GaN gebaseerde vermogenselektronica zorgt voor steeds compactere ontwerpen, dit resulteert in een grotere behoefte aan monitoring en controle. Dit betekent dat het een groot voordeel is om sensoren in dezelfde chip te integreren, " benadrukt Stefan Mönch, een onderzoeker in de business unit Power Electronics bij Fraunhofer IAF.

Eerder, stroom- en temperatuursensoren werden extern op de GaN-chip geïmplementeerd. De geïntegreerde stroomsensor maakt nu feedbackvrije meting van de transistorstroom mogelijk voor closed-loop-regeling en kortsluitbeveiliging, en bespaart ruimte in vergelijking met de gebruikelijke externe stroomsensoren. De geïntegreerde temperatuursensor maakt directe meting van de temperatuur van de vermogenstransistor mogelijk, waardoor dit thermisch kritische punt aanzienlijk sneller en nauwkeuriger in kaart wordt gebracht dan eerdere externe sensoren, omdat de afstand en het resulterende temperatuurverschil tussen de sensor en het meetpunt wordt geëlimineerd door de monolithische integratie.

"De monolithische integratie van de GaN-vermogenselektronica met sensoren en regelcircuit bespaart ruimte op het chipoppervlak, reduceert de montagekosten en verhoogt de betrouwbaarheid. Voor toepassingen die veel zeer kleine, efficiënte systemen die in beperkte ruimte moeten worden geïnstalleerd, zoals in elektromobiliteit, dit is cruciaal, " zegt Monch, die de geïntegreerde schakeling voor de GaN-chip ontwierp. Met afmetingen van slechts 4x3 mm², de GaN-chip is de basis voor de verdere ontwikkeling van compactere boordladers.

Het unieke kenmerk van galliumnitride benutten

Voor de monolithische integratie, het onderzoeksteam gebruikte het halfgeleidermateriaal galliumnitride dat was afgezet op een siliciumsubstraat (GaN-op-Si). Het unieke kenmerk van GaN-op-Si vermogenselektronica is de laterale aard van het materiaal:de stroom loopt parallel aan het oppervlak van de chip, wat betekent dat alle aansluitingen zich aan de bovenkant van de chip bevinden en verbonden zijn via geleiderpaden. Deze laterale structuur van de GaN-componenten maakt de monolithische integratie van verschillende componenten mogelijk, zoals transistoren, chauffeurs, diodes en sensoren, op een enkele chip. "Galliumnitride heeft nog een cruciaal marktvoordeel in vergelijking met andere halfgeleiders met een brede bandgap, zoals siliciumcarbide:GaN kan op kostenefficiënte, siliciumsubstraten met groot oppervlak, waardoor het geschikt is voor industriële toepassingen, ", legt Monch uit.