Fraunhofer IAF / PCIM Galliumnitrid-Power-ICs mit integrierter Sensorik

GaN-Power-ICs mit integrierten Transistoren, Gate-Treibern, Dioden sowie Strom- und Temperatursensoren zur Zustandsüberwachung.
GaN-Power-ICs mit integrierten Transistoren, Gate-Treibern, Dioden sowie Strom- und Temperatursensoren zur Zustandsüberwachung.

Forschern vom Fraunhofer IAF ist es gelungen, den Funktionsumfang von GaN-Power-ICs für Spannungswandler signifikant zu steigern. Sie integrierten Strom- und Temperatursensoren zusammen mit Leistungstransistoren, Freilaufdioden und Gate-Treibern monolithisch auf einem solchen Halbleiterchip.

Seit mehreren Jahren forscht das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF an der monolithischen Integration im Bereich der GaN-basierten Leistungselektronik. Bereits 2014 konnten die Forscher dort intrinsische Freilaufdioden und Gate-Treiber monolithisch integrieren. 2017 wurde dann erstmals eine monolithische GaN-Halbbrücke bei 400 V betrieben. Mit ihren neuesten Forschungsergebnissen kommen nun erstmals Strom- und Temperatursensorik mit hinzu.

Im Rahmen des Forschungsprojektes GaNIAL haben die Forscher den Funktionsnachweis all dieser Funktionen in einem IC erbracht. Der Titel des Projektes GaNIAL steht für »Integrierte, hocheffiziente Leistungselektronik auf der Basis von Galliumnitrid«. In diesem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt entwickelte das Fraunhofer IAF seit 2016 zusammen mit BMW, Robert Bosch, Finepower und der Universität Stuttgart leistungsfähige und kompakte Komponenten auf GaN-Basis für die Elektromobilität.

Diese Entwicklung könnte den Weg für kompaktere und effizientere On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen ebnen. Diese im Fahrzeug mitgeführte Ladeelektronik muss möglichst klein, leicht und kostengünstig sein. Dafür braucht es extrem kompakte und gleichzeitig effiziente leistungselektronische Systeme wie etwa Spannungswandler.

Der Projektpartner Finepower präsentiert das neu entwickelte GaN-Leistungsmodul auf der diesjährigen PCIM Europe (Halle 9, Stand 440). Auf der begleitenden Konferenz stellen Forscher des Fraunhofer IAF ihre neuesten Forschungsergebnisse und Entwicklungen im Bereich der Leistungselektronik vor.

Integrierte Sensorik für direkte Kontrolle

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« betont Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.

Bislang wurden Strom- und Temperatursensoren außerhalb des GaN-Chips realisiert. Durch den integrierten Stromsensor lässt sich der Transistorstroms zur Regelung und zum Kurzschlussschutz rückwirkungsfrei messen und man spart Platz im Vergleich zu sonst üblichen externen Stromsensoren. Durch den integrierten Temperatursensor lässt sich die Temperatur des Leistungstransistors direkt messen. Damit ist es möglich, diese thermisch kritische Stelle deutlich genauer und schneller abzubilden 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 4 mm x 3 mm kleine GaN-Chip bildet die Basis für die weitere Entwicklung von kompakteren On-Board-Ladegeräten.