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具有集成传感器的GaN功率IC,用于电动汽车的高效充电


电动汽车中,许多小型,高效的系统需要集成在有限的空间内。 所示的电压转换器基于尺寸为4 x3mm²的GaN功率IC。 图片来源:Fraunhofer IAF

Fraunhofer研究团队成功地大大增强了电压转换器的GaN功率IC的功能:Fraunhofer IAF的研究人员将电流和温度传感器集成到GaN基半导体芯片上,以及功率晶体管,续流二极管和栅极驱动器。 这一发展为电动汽车中更紧凑,更高效的车载充电器铺平了道路。

对于具有电动驱动器的车辆而言,在社会中持久存在,需要在充电选项方面具有更大的灵活性。 为了在可能的情况下使用交流电,充电站或传统插头插座充电站,用户依赖于车载充电器。 由于这种充电技术是在车辆中携带的,因此它必须尽可能小巧轻便,并且还具有成本效益。 因此,它需要极其紧凑但高效的电力电子系统,例如电压转换器。

单个芯片上的几个组件

弗劳恩霍夫应用固态物理研究所IAF多年来一直致力于电力电子领域的单片集成研究。这需要将若干组件(例如功率组件,控制电路和传感器)组合在单个半导体芯片上 。该概念利用半导体材料氮化镓。 早在2014年,Fraunhofer IAF的研究人员就成功地在600V级功率晶体管上集成了本征续流二极管和栅极驱动器。 2017年,单片GaN半桥首次在400V下工作。

最新研究成果首次将电流和温度传感器以及600V级功率晶体管与GaN功率IC中的固有续流二极管和栅极驱动器相结合。 作为GaNIAL研究项目的一部分,研究人员提供了GaN功率IC全功能的功能验证,实现了电力电子系统集成密度的突破。 “通过在GaN 芯片上额外集成传感器,我们成功地显着增强了我们用于电力电子的GaN技术的功能,”GaNIAL项目经理兼Fraunhofer IAF电力电子业务部副主管Patrick Waltereit博士解释道。


GaN功率IC,集成晶体管,栅极驱动器,二极管以及电流和温度传感器,用于状态监测。 图片来源:Fraunhofer IAF

集成传感器,用于直接控制

与传统的电压转换器相比,新开发的电路不仅可以实现更高的开关频率和更高的功率密度。 它还可以在芯片内部进行快速准确的状态监测。 “虽然增加基于GaN的电力电子设备的开关频率可以实现越来越紧凑的设计,但这会对其监控和控制提出更高的要求。这意味着将传感器集成在同一芯片中是一个相当大的优势,”StefanMönch强调说, Fraunhofer IAF电力电子业务部门的研究员。

以前,电流和温度传感器是在GaN芯片外部实现的。 集成电流传感器现在可实现晶体管电流的无反馈测量,以实现闭环控制和短路保护,与传统的外部电流传感器相比,可节省空间。 集成的温度传感器可以直接测量功率晶体管的温度,从而比以前的外部传感器更快,更准确地映射这个热临界点,因为传感器和测量点之间的距离和产生的温度差异被消除了单片整合。

“GaN功率电子器件与传感器和控制电路的单片集成节省了芯片表面的空间,减少了组装费用并提高了可靠性。对于需要在有限空间内安装大量非常小,高效系统的应用,例如在电动汽车方面,这是至关重要的,“设计GaN芯片集成电路的Mönch说。 GaN芯片尺寸仅为4x3mm²,是进一步开发更紧凑的板载充电器的基础。

利用氮化镓的独特特性

对于单片集成,研究团队利用沉积在硅衬底 (GaN-on-Si)上的半导体材料氮化镓 。GaN-on-Si 功率电子器件的独特特性是材料的横向性质:电流平行于芯片表面流动,这意味着所有连接都位于芯片顶部并通过导体路径连接。 GaN组件的这种横向结构允许在单个芯片上单个集成诸如晶体管,驱动器,二极管和传感器的若干组件。 “与其他宽带隙半导体(如碳化硅)相比,氮化镓具有进一步的市场优势:GaN可以沉积在经济高效的大面积硅基板上,使其适用于工业应用,”Mönch解释道。

· 2019-05-10 09:26  本新闻来源自:Phys.org,版权归原创方所有

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