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弗劳恩霍夫研究所成功在GaN芯片集成多个元件 为研发紧凑型车载充电器奠定基础

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发表于 2019-5-23 15:51:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
据外媒报道,德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的研究人员成功将电流传感器、温度传感器以及功率晶体管、续流二极管以及栅极驱动器都集成到了基于GaN的半导体芯片上,从而显著地提升了用于电压转换器的氮化镓功率集成电路的功能。此次研究进展将为研发更紧凑、更高效的电动汽车车载充电器铺平道路。
如果电动汽车想要在社会上长期立足,就需要拥有更加灵活的充电选择。为了尽可能使用交流电充电桩、壁挂式充电桩或传统的插头插座充电桩,用户就需要依赖车载充电器。由于此类技术是汽车自带的,因而必须尽可能地小且轻,同时成本效益要高。因此,此类充电器就需要电压转换器等非常紧凑而高效的电力电子系统。
单个芯片上集成多个元件
多年来,弗劳恩霍夫应用固体物理研究所都致力于研究电力电子领域的单片集成技术,即需要将功率元件、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,弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的研究人员就成功在一个600V的功率晶体管上集成了续流二极管和栅极驱动器。2017年,一个单片GaN半电桥首次以400V电压运行。
弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的最新研究成果是,首次成功将电流和温度传感器、600V功率晶体管、续流二极管和栅极驱动器都集成至一个GaN功率集成电路上。作为GaNIAL研究项目的一部分,研究人员对GaN功率集成电路的全部功能进行了功能验证,实现了电力电子系统集成技术的突破。
与传统的电压转换器相比,新研发的电路不仅具有更高的开关频率以及更高的功率密度,还能快速而准确地对芯片本身进行监测。弗劳恩霍夫应用固体物理研究所电力电子业务部研究员Stefan M?nch强调表示:“虽然基于GaN的功率电子产品的开关频率增加可使得设计变得越来越紧凑,但是,同时也对监测和控制自己本身提出了更高的要求。”
以前,电流和温度传感器都在GaN芯片外部进行工作,现在集成了电流传感器就可以对晶体管电流进行无反馈测量,实现闭环控制和短路保护功能,此外,与传统的外部电流传感器相比,节省了芯片的空间。而集成了温度传感器就可以直接测量功率晶体管的温度,由于单片集成电路消除了传感器与测量点之间因距离产生的温度差,因而,与以前的外部传感器相比,集成了温度传感器就可以更快、更准确地反映出热临界点。
为GaN芯片设计和集成电路的M?nch表示:“将GaN芯片与传感器和控制电路整体集成可节省芯片表面的空间,降低装配成本,提高可靠性。对于需要在有限空间内安装大量非常小而高效的系统的应用来说,这点至关重要。”该GaN芯片尺寸大小仅为4x3 mm2,为进一步研发更加紧凑的车载充电器奠定了基础。
本文封面图来源于图虫创意
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