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具有集成传感器的GaN功率IC助力电动汽车的高效充电
传感器新能源汽车
    IAM机器人网
    2019-05-07 20:06
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电动汽车对于消费者而言,电池容量(充满一次电我能漂多久)以及充满一次电所需要的时间是很重要的考量因素,毕竟现在消费者口味刁得很,不满足,那我换菜。(有米米的霸气~)


近日,IAF的研究人员已经成功地显著增强了用于电压转换器的GaN电源集成电路的功能:IAF的研究人员将电流和温度传感器集成到基于GaN的半导体芯片上,同时集成了功率晶体管、随心所欲的二极管和栅极驱动器。这一发展为电动汽车上更紧凑、更高效的车载充电器铺平了道路。


电动汽车要想在社会上持久存在,就需要在充电选择上有更大的灵活性。为了尽可能使用交流电充电站、壁式充电站或传统的插头插座,用户依赖于车载充电器。由于这种充电技术是在汽车上携带的,它必须尽可能地小和轻,而且成本效益高。因此,它需要非常紧凑而高效的电力电子系统,如电压转换器。


一个芯片上有几个元件


IAF多年来一直致力于电力电子领域的单片集成研究。这需要将多个组件,如电源组件、控制电路和传感器组合在一个半导体芯片上。该概念利用了半导体材料氮化镓。早在2014年,Fraunhofer IAF的研究人员成功地将固有的自由旋转二极管和栅极驱动器集成在600V级功率晶体管上。2017年,一座单片GaN半桥首次以400V运行。


最新的研究成果首次将电流和温度传感器、600v级功率晶体管与自由旋转二极管和栅极驱动器集成在一个GaN功率集成电路中。作为GaNIAL研究项目的一部分,研究人员对GaN电源IC的全部功能进行了功能验证,实现了电力电子系统集成密度的突破。

IAF电力电子业务部门副主管Patrick Waltereit博士说:“通过在GaN芯片上额外集成传感器,我们成功地显著增强了我们的GaN技术在电力电子领域的功能。”

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与传统电压变换器相比,新研制的电路不仅具有更高的开关频率和更高的功率密度;它还提供了快速和准确的状态监测芯片本身。虽然基于GaN的电力电子产品开关频率的增加使得设计越来越紧凑,但这对它们的监测和控制提出了更高的要求。这意味着在同一芯片中集成传感器是一个相当大的优势。


以前,电流和温度传感器是在外部实现的GaN芯片。集成电流传感器现在可以实现晶体管电流的无反馈测量,用于闭环控制和短路保护,与传统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,由于传感器与测量点之间的距离和由此产生的温度差通过单片集成消除了,因此,与以前的外部传感器相比,集成的温度传感器能够更快、更准确地映射出这个热临界点。


GaN芯片设计集成电路的Monch说:“GaN电力电子与传感器和控制电路的整体集成节省了芯片表面的空间,降低了装配成本,提高了可靠性。对于那些需要在有限的空间内安装大量非常小而高效的系统的应用,比如在电动汽车方面,这是至关重要的。”


GaN芯片尺寸仅为4x3mm²,是进一步开发更紧凑的板载充电器的基础。


开发了氮化镓的独特特性



为了实现整体集成,研究团队使用了沉积在硅基板(GaN-on-Si)上的半导体材料氮化镓。GaN -on- Si电力电子的独特特性是材料的横向性质: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。这种横向结构的GaN组件允许在一个芯片上集成多个组件,如晶体管、驱动器、二极管和传感器。

Monch解释说:“与其他宽禁带半导体(如碳化硅)相比,氮化镓具有更重要的市场优势:氮化镓可以沉积在成本低、面积大的硅衬底上,使其适合工业应用。”


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