在电动汽车中，需要在有限的空间内集成许多小型高效的系统。所示的电压转换器基于尺寸为4 x 3mm2的GaN电源IC。图片来源：Fraunhofer IAF

弗劳恩霍夫研究人员团队成功地大幅增强了用于电压转换器的GaN功率IC的功能：弗劳恩霍夫IAF的研究人员将电流和温度传感器以及功率晶体管，续流二极管和栅极驱动器集成到了GaN基半导体芯片上。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。

对于电动驱动的车辆要在社会中持久存在，充电选项需要更大的灵活性。为了在可能的情况下使用使用交流电的充电站，壁式充电站或传统的插头插座，用户需要使用车载充电器。由于这种充电技术是随车携带的，因此必须尽可能的小巧轻便，并且具有成本效益。因此，它需要极其紧凑而高效的电力电子系统，例如电压转换器。

单个芯片上的多个组件

弗劳恩霍夫应用固体物理学研究所IAF多年来一直在电力电子领域进行单片集成研究。这要求将多个组件（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。该概念利用了半导体材料氮化镓。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固有续流二极管和栅极驱动器。2017年，单片GaN半桥随后首次在400V下工作。

最新的研究结果首次将电流和温度传感器以及600V级功率晶体管与固有续流二极管和栅极驱动器结合在GaN功率IC中。作为GaNIAL研究项目的一部分，研究人员提供了GaN功率IC中全部功能的功能验证，从而实现了功率电子系统集成密度方面的突破。“通过在GaN芯片上另外集成传感器，我们已经成功地大大增强了用于电力电子的GaN技术的功能，” GaNIAL项目经理兼Fraunhofer IAF电力电子业务部门副主管Patrick Waltereit博士解释说。

具有集成晶体管，栅极驱动器，二极管以及用于状态监控的电流和温度传感器的GaN功率IC。图片来源：Fraunhofer IAF

集成传感器直接控制

与传统的电压转换器相比，新开发的电路不仅可以同时实现更高的开关频率和更高的功率密度，而且还具有更高的效率。它还可以在芯片本身内提供快速，准确的状态监控。StefanM?nch强调说：“尽管GaN基电力电子器件的开关频率不断提高，使得设计变得越来越紧凑，但这对它们的监视和控制提出了更高的要求。这意味着将传感器集成在同一芯片中是一个很大的优势。” Fraunhofer IAF的电力电子业务部门研究员。

以前，电流和温度传感器是在GaN芯片外部实现的。集成的电流传感器现在可以对晶体管电流进行无反馈测量，以进行闭环控制和短路保护，并且与常规的外部电流传感器相比节省了空间。集成的温度传感器能够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，更准确地映射该热临界点，因为传感器和测量点之间的距离和由此产生的温差可以通过传感器消除。整体集成。

“ GaN电力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，减少了装配费用并提高了可靠性。对于需要在有限的空间中安装许多非常小，高效的系统的应用，例如在电动汽车领域，这至关重要。”为GaN芯片设计集成电路的M?nch说。GaN芯片尺寸仅为4x3mm2，是进一步开发更紧凑的车载充电器的基础。

利用氮化镓的独特特性

对于单片集成，研究团队利用了沉积在硅基板上的半导体材料氮化镓（GaN-on-Si）。GaN-on-Si电力电子设备的独特特性是材料的横向特性：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将多个组件（例如晶体管，驱动器，二极管和传感器）单片集成在单个芯片上。“与其他宽带隙半导体（例如碳化硅）相比，氮化镓具有另一个至关重要的市场优势：GaN可以沉积在经济高效的大面积硅衬底上，使其适合工业应用，”M?nch解释说。