Un equipo de investigadores de Fraunhofer ha logrado mejorar significativamente la funcionalidad de los circuitos integrados de potencia de GaN para convertidores de voltaje:los investigadores de Fraunhofer IAF integraron sensores de corriente y temperatura en un chip semiconductor basado en GaN, junto con transistores de potencia, diodos de rueda libre y controladores de puerta. Este desarrollo allana el camino para cargadores a bordo más compactos y eficientes en vehículos eléctricos.

Para que los vehículos con propulsión eléctrica se conviertan en una presencia duradera en la sociedad, debe haber una mayor flexibilidad en las opciones de carga. Para hacer uso de estaciones de carga con corriente alterna, estaciones de carga de pared o enchufes convencionales cuando sea posible, los usuarios dependen de los cargadores integrados. Como esta tecnología de carga se lleva en el vehículo, debe ser lo más pequeño y liviano posible, y también rentable. Por lo tanto, requiere sistemas electrónicos de potencia extremadamente compactos pero eficientes, como convertidores de voltaje.

Varios componentes en un solo chip

El Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF ha estado realizando investigaciones sobre la integración monolítica en el campo de la electrónica de potencia durante varios años. Esto requiere varios componentes, como componentes de potencia, el circuito de control y los sensores se combinarán en un solo chip semiconductor. El concepto hace uso del material semiconductor nitruro de galio. En 2014, Los investigadores de Fraunhofer IAF lograron integrar diodos de rueda libre intrínsecos y controladores de compuerta en un transistor de potencia de clase 600V. En 2017, A continuación, se hizo funcionar por primera vez un semipuente monolítico de GaN a 400 V.

Los últimos resultados de la investigación combinan sensores de corriente y temperatura y transistores de potencia de clase 600V con diodos de rueda libre intrínsecos y controladores de compuerta en un CI de potencia de GaN por primera vez. Como parte del proyecto de investigación GaNIAL, los investigadores han proporcionado una verificación funcional de la funcionalidad completa en un CI de potencia de GaN, logrando un gran avance en la densidad de integración de los sistemas de electrónica de potencia. "Al integrar adicionalmente sensores en el chip GaN, hemos logrado mejorar significativamente la funcionalidad de nuestra tecnología GaN para electrónica de potencia, "explica el Dr. Patrick Waltereit, director de proyectos de GaNIAL y subdirector de la unidad de negocio de Electrónica de Potencia en Fraunhofer IAF.

Sensores integrados para control directo

En comparación con los convertidores de voltaje convencionales, el circuito recientemente desarrollado no solo permite simultáneamente frecuencias de conmutación más altas y una densidad de potencia más alta; también proporciona un control de estado rápido y preciso dentro del propio chip. "Aunque la frecuencia de conmutación aumentada de la electrónica de potencia basada en GaN permite diseños cada vez más compactos, esto se traduce en una mayor exigencia para su seguimiento y control. Esto significa que tener sensores integrados dentro del mismo chip es una ventaja considerable, "enfatiza Stefan Mönch, investigador de la unidad de negocio Power Electronics de Fraunhofer IAF.

Previamente, Los sensores de corriente y temperatura se implementaron externamente al chip GaN. El sensor de corriente integrado ahora permite la medición sin retroalimentación de la corriente del transistor para el control de bucle cerrado y la protección contra cortocircuitos. y ahorra espacio en comparación con los sensores de corriente externos habituales. El sensor de temperatura integrado permite la medición directa de la temperatura del transistor de potencia, mapeando así este punto térmicamente crítico considerablemente más rápido y con mayor precisión que los sensores externos anteriores, ya que la distancia y la diferencia de temperatura resultante entre el sensor y el punto de medición se elimina mediante la integración monolítica.

"La integración monolítica de la electrónica de potencia de GaN con sensores y circuito de control ahorra espacio en la superficie del chip, reduce el desembolso de montaje y mejora la fiabilidad. Para aplicaciones que requieren una gran cantidad de sistemas eficientes para ser instalados en un espacio limitado, como en la electromovilidad, esto es crucial, "dice Mönch, quien diseñó el circuito integrado para el chip GaN. Mide solo 4x3 mm², el chip GaN es la base para un mayor desarrollo de cargadores de a bordo más compactos.

Explotación de la característica única del nitruro de galio

Para la integración monolítica, el equipo de investigación utilizó el material semiconductor nitruro de galio depositado sobre un sustrato de silicio (GaN-on-Si). La característica única de la electrónica de potencia GaN-on-Si es la naturaleza lateral del material:la corriente fluye paralela a la superficie del chip, lo que significa que todas las conexiones están ubicadas en la parte superior del chip y conectadas a través de rutas de conductores. Esta estructura lateral de los componentes de GaN permite la integración monolítica de varios componentes, como transistores, conductores diodos y sensores, en un solo chip. "El nitruro de galio tiene una ventaja de mercado crucial adicional en comparación con otros semiconductores de banda ancha, como carburo de silicio:GaN se puede depositar en rentable, sustratos de silicio de gran superficie, haciéndolo adecuado para aplicaciones industriales, "explica Mönch.