Effizientes Laden von Elektrofahrzeugen GaN 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.

Das Fraunhofer IAF integriert Strom- und Temperatursensoren mit Leistungstransistoren, Freilaufdioden und Gate-Treibern auf einem GaN-basierten Halbleiterchip. Diese Entwicklung ebnet den Weg für kompakte und effiziente On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen.

Damit sich Fahrzeuge mit Elektroantrieb langfristig durchsetzen können, müssen die Lademöglichkeiten flexibler werden. Um Ladesäulen mit Wechselstrom, Wandladestationen oder auch herkömmliche Steckdosen zur Ladung zu nutzen, sind die Nutzer auf On-Board-Ladegeräte angewiesen. Diese im Fahrzeug mitgeführte Ladeelektronik muss möglichst klein, leicht und kostengünstig sein. Dafür braucht es extrem kompakte und gleichzeitig effiziente leistungselektronische Systeme wie etwa Spannungsregler.

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF forscht seit mehreren Jahren an der monolithischen Integration im Bereich der Leistungselektronik. Dabei werden mehrere Einzelkomponenten wie etwa Leistungsbauelemente, Ansteuerung und Sensorik auf einem Halbleiterchip vereint. Basis hierfür ist Galliumnitrid. Basierend auf einem Leistungstransistor der 600-V-Klasse ist es dem Fraunhofer IAF bereits 2014 gelungen, intrinsische Freilaufdioden und Gate-Treiber zu integrieren. 2017 wurde dann erstmals eine monolithische GaN-Halbbrücke bei 400 V betrieben.

Mit ihren aktuellen Forschungsergebnissen wird jetzt erstmals Strom- und Temperatursensorik, Leistungstransistoren der 600-V-Klasse mit intrinsischen Freilaufioden und Gate-Treiber in einem GaN Power IC kombiniert. Im Rahmen des Forschungsprojektes GaNIAL haben die Forscher den Funktionsnachweis all dieser Funktionen in einem GaN Power IC erbracht und damit einen Durchbruch in der Integrationsdichte leistungselektronischer Systeme erlangt.

Der Titel des Projektes GaNIAL steht für »Integrierte, hocheffiziente Leistungselektronik auf der Basis von Galliumnitrid«. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt entwickelt 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.

Integrierte Sensorik

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. Der integrierte Stromsensor ermöglicht nun die rückwirkungsfreie Messung des Transistor-Stroms zur Regelung und zum Kurzschluss-Schutz und spart Platz im Vergleich zu sonst üblichen externen Stromsensoren. Der integrierte Temperatursensor ermöglicht 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.