弗勞恩霍夫研究所成功在GaN芯片集成多個元件 為研發(fā)緊湊型車載充電器奠定基礎(chǔ)

德國弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所(Fraunhofer IAF)的研究人員成功將電流傳感器、溫度傳感器以及功率晶體管、續(xù)流二極管以及柵極驅(qū)動器都集成到了基于GaN的半導(dǎo)體芯片上，從而顯著地提升了用于電壓轉(zhuǎn)換器的氮化鎵功率集成電路(GaN power IC，即芯片)的功能。此次研究進(jìn)展將為研發(fā)更緊湊、更高效的電動汽車車載充電器鋪平道路。

如果電動汽車想要在社會上長期立足，就需要擁有更加靈活的充電選擇。為了盡可能使用交流電充電樁、壁掛式充電樁或傳統(tǒng)的插頭插座充電樁，用戶就需要依賴車載充電器。由于此類技術(shù)是汽車自帶的，因而必須盡可能地小且輕，同時成本效益要高。因此，此類充電器就需要電壓轉(zhuǎn)換器等非常緊湊而高效的電力電子系統(tǒng)。

單個芯片上集成多個元件

多年來，弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所(Fraunhofer IAF)都致力于研究電力電子領(lǐng)域的單片集成技術(shù)，即需要將功率元件、控制電路和傳感器組合在單個半導(dǎo)體芯片上，該概念利用了半導(dǎo)體材料氮化鎵(gallium nitride，GaN)。早在2014年，弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所的研究人員就成功在一個600V的功率晶體管上集成了續(xù)流二極管和柵極驅(qū)動器。2017年，一個單片GaN半電橋首次以400V電壓運(yùn)行。

弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所的最新研究成果是，首次成功將電流和溫度傳感器、600V功率晶體管、續(xù)流二極管和柵極驅(qū)動器都集成至一個GaN功率集成電路上。作為GaNIAL研究項目的一部分，研究人員對GaN功率集成電路的全部功能進(jìn)行了功能驗證，實現(xiàn)了電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)的突破。

與傳統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換器相比，新研發(fā)的電路不僅具有更高的開關(guān)頻率以及更高的功率密度，還能快速而準(zhǔn)確地對芯片本身進(jìn)行監(jiān)測。弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所電力電子業(yè)務(wù)部研究員Stefan M?nch強(qiáng)調(diào)表示：“雖然基于GaN的功率電子產(chǎn)品的開關(guān)頻率增加可使得設(shè)計變得越來越緊湊，但是，同時也對監(jiān)測和控制自己本身提出了更高的要求?！?/p>

以前，電流和溫度傳感器都在GaN芯片外部進(jìn)行工作，現(xiàn)在集成了電流傳感器就可以對晶體管電流進(jìn)行無反饋測量，實現(xiàn)閉環(huán)控制和短路保護(hù)功能，此外，與傳統(tǒng)的外部電流傳感器相比，節(jié)省了芯片的空間。而集成了溫度傳感器就可以直接測量功率晶體管的溫度，由于單片集成電路消除了傳感器與測量點之間因距離產(chǎn)生的溫度差，因而，與以前的外部傳感器相比，集成了溫度傳感器就可以更快、更準(zhǔn)確地反映出熱臨界點。

為GaN芯片設(shè)計和集成電路的M?nch表示：“將GaN芯片與傳感器和控制電路整體集成可節(jié)省芯片表面的空間，降低裝配成本，提高可靠性。對于需要在有限空間內(nèi)安裝大量非常小而高效的系統(tǒng)的應(yīng)用來說，這點至關(guān)重要?！痹揋aN芯片尺寸大小僅為4×3 mm2，為進(jìn)一步研發(fā)更加緊湊的車載充電器奠定了基礎(chǔ)。