在電動(dòng)汽車中，需要在有限的空間內(nèi)集成許多小型高效的系統(tǒng)。所示的電壓轉(zhuǎn)換器基于尺寸為4 x 3mm2的GaN電源IC。圖片來源：Fraunhofer IAF

弗勞恩霍夫研究人員團(tuán)隊(duì)成功地大幅增強(qiáng)了用于電壓轉(zhuǎn)換器的GaN功率IC的功能：弗勞恩霍夫IAF的研究人員將電流和溫度傳感器以及功率晶體管，續(xù)流二極管和柵極驅(qū)動(dòng)器集成到了GaN基半導(dǎo)體芯片上。這一發(fā)展為電動(dòng)汽車中更緊湊，更高效的車載充電器鋪平了道路。

對(duì)于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車輛要在社會(huì)中持久存在，充電選項(xiàng)需要更大的靈活性。為了在可能的情況下使用使用交流電的充電站，壁式充電站或傳統(tǒng)的插頭插座，用戶需要使用車載充電器。由于這種充電技術(shù)是隨車攜帶的，因此必須盡可能的小巧輕便，并且具有成本效益。因此，它需要極其緊湊而高效的電力電子系統(tǒng)，例如電壓轉(zhuǎn)換器。

單個(gè)芯片上的多個(gè)組件

弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理學(xué)研究所IAF多年來一直在電力電子領(lǐng)域進(jìn)行單片集成研究。這要求將多個(gè)組件（例如功率組件，控制電路和傳感器）組合在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上。該概念利用了半導(dǎo)體材料氮化鎵。早在2014年，F(xiàn)raunhofer IAF的研究人員就成功地在600V級(jí)功率晶體管上集成了固有續(xù)流二極管和柵極驅(qū)動(dòng)器。2017年，單片GaN半橋隨后首次在400V下工作。

最新的研究結(jié)果首次將電流和溫度傳感器以及600V級(jí)功率晶體管與固有續(xù)流二極管和柵極驅(qū)動(dòng)器結(jié)合在GaN功率IC中。作為GaNIAL研究項(xiàng)目的一部分，研究人員提供了GaN功率IC中全部功能的功能驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)了功率電子系統(tǒng)集成密度方面的突破�！巴ㄟ^在GaN芯片上另外集成傳感器，我們已經(jīng)成功地大大增強(qiáng)了用于電力電子的GaN技術(shù)的功能，” GaNIAL項(xiàng)目經(jīng)理兼Fraunhofer IAF電力電子業(yè)務(wù)部門副主管Patrick Waltereit博士解釋說。

具有集成晶體管，柵極驅(qū)動(dòng)器，二極管以及用于狀態(tài)監(jiān)控的電流和溫度傳感器的GaN功率IC。圖片來源：Fraunhofer IAF

集成傳感器直接控制

與傳統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換器相比，新開發(fā)的電路不僅可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度，而且還具有更高的效率。它還可以在芯片本身內(nèi)提供快速，準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)控。StefanM?nch強(qiáng)調(diào)說：“盡管GaN基電力電子器件的開關(guān)頻率不斷提高，使得設(shè)計(jì)變得越來越緊湊，但這對(duì)它們的監(jiān)視和控制提出了更高的要求。這意味著將傳感器集成在同一芯片中是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。” Fraunhofer IAF的電力電子業(yè)務(wù)部門研究員。

以前，電流和溫度傳感器是在GaN芯片外部實(shí)現(xiàn)的。集成的電流傳感器現(xiàn)在可以對(duì)晶體管電流進(jìn)行無反饋測(cè)量，以進(jìn)行閉環(huán)控制和短路保護(hù)，并且與常規(guī)的外部電流傳感器相比節(jié)省了空間。集成的溫度傳感器能夠直接測(cè)量功率晶體管的溫度，從而比以前的外部傳感器更快，更準(zhǔn)確地映射該熱臨界點(diǎn)，因?yàn)閭鞲衅骱蜏y(cè)量點(diǎn)之間的距離和由此產(chǎn)生的溫差可以通過傳感器消除。整體集成。

“ GaN電力電子器件與傳感器和控制電路的單片集成節(jié)省了芯片表面的空間，減少了裝配費(fèi)用并提高了可靠性。對(duì)于需要在有限的空間中安裝許多非常小，高效的系統(tǒng)的應(yīng)用，例如在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，這至關(guān)重要�！睘镚aN芯片設(shè)計(jì)集成電路的M?nch說。GaN芯片尺寸僅為4x3mm2，是進(jìn)一步開發(fā)更緊湊的車載充電器的基礎(chǔ)。

利用氮化鎵的獨(dú)特特性

對(duì)于單片集成，研究團(tuán)隊(duì)利用了沉積在硅基板上的半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN-on-Si）。GaN-on-Si電力電子設(shè)備的獨(dú)特特性是材料的橫向特性：電流平行于芯片表面流動(dòng)，這意味著所有連接都位于芯片頂部并通過導(dǎo)體路徑連接。GaN組件的這種橫向結(jié)構(gòu)允許將多個(gè)組件（例如晶體管，驅(qū)動(dòng)器，二極管和傳感器）單片集成在單個(gè)芯片上。“與其他寬帶隙半導(dǎo)體（例如碳化硅）相比，氮化鎵具有另一個(gè)至關(guān)重要的市場優(yōu)勢(shì)：GaN可以沉積在經(jīng)濟(jì)高效的大面積硅襯底上，使其適合工業(yè)應(yīng)用，”M?nch解釋說。