R&D magazine
2019_276_9
Skupini raziskovalcev Fraunhoferja je uspelo bistveno izboljšati funkcionalnost GaN močnostnih ICjev za napetostne pretvornike: raziskovalci na Fraunhofer IAF so integrirali senzorje toka in temperature na GaN polprevodniški čip skupaj z močnostnimi tranzistorji, prostimi diodami in gonilniki tranzistorjev. Ta razvoj utira pot za bolj kompaktne in učinkovite polnilnike v električnih vozilih.
Za vozila z električnim pogonom, ki naj bi postala trajno prisotna v družbi, je potrebna večja prožnost pri možnostih polnjenja. Za uporabo polnilnih postaj, ki uporabljajo izmenični tok, stenske polnilne postaje ali običajne vtičnice, kjer je to mogoče, so uporabniki odvisni od vgrajenih polnilnikov. Ker je ta tehnologija polnjenja vgrajena v vozilu, mora biti čim manjša in lahka ter stroškovno učinkovita. Zato zahteva izredno kompaktne in učinkovite sisteme močnostne elektronike, kot so napetostni pretvorniki.
Fraunhoferjev inštitut za uporabno fizike trdne snovi IAF že nekaj let izvaja raziskave monolitne integracije na področju močnostne elektronike. To zahteva več sestavnih delov, kot so močnostne komponente, krmilna vezja in senzorji, da se kombinirajo na enem polprevodniškem čipu. Koncept kot polprevodniški material uporablja galijev nitrid.
Že leta 2014 so raziskovalci na Fraunhofer IAF uspeli integrirati lastne proste diode in gonilnike tranzistorjev na močnostnem 600 V tranzistorju. Leta 2017 je GaN polovični mostič prvič deloval pri 400 V.
Najnovejši rezultati raziskav združujejo senzorje toka in temperature ter močnostne 600 V tranzistorje z lastnimi prostimi diodami in gonilniki tranzistorjev v GaN močnostnem ICju. V okviru raziskovalnega projekta GaNIAL so raziskovalci zagotovili funkcionalno preverjanje polno funkcionalnega močnostnega ICja narejenega v GaN tehnologiji, s čimer so dosegli preboj v integraciji sistemov močnostne elektronike.
»Z dodatnim integriranjem senzorjev na GaN čipu nam je uspelo bistveno izboljšati funkcionalnost naše GaN tehnologije za močnostno elektroniko,« razlaga dr. Patrick Waltereit, vodja projekta GaNIAL in namestnik vodje poslovne enote Power Electronics na Fraunhofer IAF.
Celoten naslov projekta GaNIAL je »Integrirana in učinkovita močnostna elektronika na osnovi galijevega nitrida.«
Projekt financira nemško zvezno ministrstvo za izobraževanje in raziskave; od leta 2016, poteka sodelovanje med Fraunhofer IAF in BMW Group, Robert Bosch GmbH, Finepower GmbH in Univerza v Stuttgartu, ki si prizadeva za razvoj močnostnih, kompaktnih na GaN-temelječih komponent za elektromobilnost. V primerjavi z običajnimi pretvorniki napetosti na novo razviti tokokrog hkrati omogoča ne le višjih stikalnih frekvenc in večje gostote moči; zagotavlja tudi hitro in natančno spremljanje stanja v samem čipu.
»Čeprav višja stikalna frekvenca močnostne elektronike, ki temelji na GaN, omogoča vse bolj kompaktna vezja, to povzroči večjo zahtevo po njihovem nadzoru. To pomeni, da imajo senzorji, ki so integrirani v isti čip, precejšnjo prednost, «poudarja Stefan Mönch, raziskovalec v poslovni enoti Power Electronics pri Fraunhofer IAF.
Prej so bili tokovni in temperaturni senzorji nameščeni zunaj GaN čipa. Integrirani tokovni senzor zdaj omogoča merjenje tranzistorskega toka brez povratne zanke za kontrolo zaprte zanke in zaščito pred kratkim stikom ter prihrani prostor v primerjavi z običajnimi zunanjimi senzorji toka.
Integrirani temperaturni senzor omogoča neposredno merjenje temperature močnostnega tranzistorja, s čimer je to termično kritično točko preslikal bistveno hitreje in natančneje kot prejšnji zunanji senzorji, saj se razdalja in temperaturna razlika med senzorjem in točko merjenja odpravi z monolitnim integriranjem.
»Monolitna integracija napajalne elektronike GaN s senzorji in krmilnim vezjem prihrani prostor na površini čipa, zmanjša stroške montaže in izboljša zanesljivost. Za aplikacije, ki zahtevajo namestitev zelo majhnih in učinkovitih sistemov v omejenem prostoru, kot je npr. elektromobilnost, je to ključnega pomena, «pravi Mönch, ki je načrtoval integrirano vezje za GaN čip.
GaN čip, ki meri le 4 x 3 kvadratnih mm, je osnova za nadaljnji razvoj bolj kompaktnih polnilnikov. „Galijev nitrid ima še eno ključno tržno prednost v primerjavi z drugimi širokopasovnimi polprevodniki, kot je silicijev karbid. GaN se lahko nanese na cenovno ugodne silicijeve substrate velikih površin, zaradi česar je primeren za industrijsko uporabo, «pravi Mönch.
Povzeto po: https://www.rdmag.com/news/2019/05/integrated-sensors-direct-control
