Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) haben die Funktionalität von sogenannten "GaN Power ICs" für Spannungswandler signifikant gesteigert. Sie haben hierzu Strom- und Temperatursensoren zusammen mit Leistungstransistoren, Freilaufdioden und Gate-Treibern auf einem "GaN"-basierten Halbleiterchip integriert. Diese Entwicklung ebnet den Weg für kompaktere und effizientere On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen.
"Mit der zusätzlichen Integration von Sensoren auf dem GaN-Chip ist es uns gelungen, die Funktionalität unserer GaN-Technologie für die Leistungselektronik signifikant zu steigern", erklärt Patrick Waltereit, Leiter des Forschungsprojekts "GaNIAL" und stellvertretender Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.
Im Vergleich zu herkömmlichen Spannungswandlern ermöglicht die neu entwickelte Schaltung nicht nur höhere Schaltfrequenzen und damit eine höhere Leistungsdichte, sondern gleichzeitig eine schnelle und genaue Zustandsüberwachung direkt im Chip. "Die erhöhte Schaltfrequenz von GaN-basierter Leistungselektronik ermöglicht zwar immer kompaktere Aufbauten, führt aber auch zu einer verschärften Anforderung bezüglich deren Überwachung und Regelung. Deshalb ist eine im Chip integrierte Sensorik von grossem Vorteil", so Waltereits IAF-Kollege Stefan Mönch.
Innovation spart viel Platz
Der Stromsensor ermöglicht die rückwirkungsfreie Messung des Transistor-Stroms zur Regelung und zum Kurzschluss-Schutz und spart Platz im Vergleich zu sonst üblichen externen Stromsensoren. Der Temperatursensor schafft die direkte Messung der Temperatur des Leistungstransistors und bildet diese thermisch kritische Stelle damit deutlich genauer und schneller ab als bisherige externe Sensoren, da der Abstand und resultierende Temperaturunterschied zwischen Sensor und Messstelle durch die monolithische Integration entfällt.
"Die monolithisch integrierte GaN-Leistungselektronik mit Sensorik und Ansteuerung spart Chipfläche, reduziert den Aufwand für die Aufbautechnik und erhöht die Zuverlässigkeit. Für Anwendungen, in denen viele möglichst kleine und effiziente Systeme auf wenig Platz verbaut werden müssen, wie etwa der Elektromobilität, ist das entscheidend", sagt Mönch, der die integrierte Schaltung für den GaN-Chip entworfen hat. Der vier mal drei mm^2-kleine GaN-Chip bildet die Basis für die weitere Entwicklung von kompakteren On-Board-Ladegeräten.
