Uma equipe de pesquisadores da Fraunhofer conseguiu melhorar significativamente a funcionalidade dos CIs de potência GaN para conversores de tensão:os pesquisadores da Fraunhofer IAF integraram sensores de corrente e temperatura em um chip semicondutor baseado em GaN, junto com transistores de potência, diodos freewheeling e gate drivers. Este desenvolvimento abre caminho para carregadores de bordo mais compactos e eficientes em veículos elétricos.

Para que os veículos com acionamento elétrico se tornem uma presença duradoura na sociedade, precisa haver maior flexibilidade nas opções de carregamento. Para fazer uso de estações de carregamento usando corrente alternada, estações de carregamento de parede ou tomadas convencionais, sempre que possível, os usuários dependem de carregadores integrados. Como essa tecnologia de carregamento é transportada no veículo, deve ser o mais pequeno e leve possível, e também com boa relação custo-benefício. Portanto, requer sistemas eletrônicos de potência extremamente compactos, mas eficientes, como conversores de tensão.

Vários componentes em um único chip

O Instituto Fraunhofer de Física de Estado Sólido Aplicada, IAF, vem conduzindo pesquisas sobre integração monolítica no campo da eletrônica de potência há vários anos. Isso requer vários componentes, como componentes de energia, o circuito de controle e os sensores devem ser combinados em um único chip semicondutor. O conceito faz uso do nitreto de gálio, material semicondutor. Em 2014, os pesquisadores da Fraunhofer IAF conseguiram integrar diodos freewheeling intrínsecos e gate drivers em um transistor de potência de classe 600V. Em 2017, uma meia ponte monolítica de GaN foi então operada a 400 V pela primeira vez.

Os resultados das pesquisas mais recentes combinam sensores de corrente e temperatura e transistores de potência de classe 600 V com diodos freewheeling intrínsecos e gate drivers em um CI de potência GaN pela primeira vez. Como parte do projeto de pesquisa GaNIAL, os pesquisadores forneceram verificação funcional de funcionalidade total em um CI de potência GaN, alcançando um avanço na densidade de integração de sistemas eletrônicos de potência. "Ao integrar adicionalmente sensores no chip GaN, conseguimos melhorar significativamente a funcionalidade de nossa tecnologia GaN para eletrônica de potência, "explica o Dr. Patrick Waltereit, gerente de projeto da GaNIAL e chefe adjunto da unidade de negócios de Eletrônica de Potência da Fraunhofer IAF.

Sensores integrados para controle direto

Em comparação com conversores de tensão convencionais, o circuito recém-desenvolvido permite simultaneamente não apenas frequências de chaveamento mais altas e uma densidade de potência mais alta; ele também fornece monitoramento de condição rápido e preciso dentro do próprio chip. "Embora a maior frequência de chaveamento da eletrônica de potência baseada em GaN permita designs cada vez mais compactos, isso resulta em uma maior necessidade de monitoramento e controle. Isso significa que ter sensores integrados no mesmo chip é uma vantagem considerável, "enfatiza Stefan Mönch, pesquisador na unidade de negócios Power Electronics da Fraunhofer IAF.

Anteriormente, sensores de corrente e temperatura foram implementados externamente ao chip GaN. O sensor de corrente integrado agora permite a medição sem feedback da corrente do transistor para controle de malha fechada e proteção contra curto-circuito, e economiza espaço em comparação com os sensores de corrente externos habituais. O sensor de temperatura integrado permite a medição direta da temperatura do transistor de potência, assim, mapeando este ponto termicamente crítico consideravelmente mais rápido e mais preciso do que os sensores externos anteriores, já que a distância e a diferença de temperatura resultante entre o sensor e o ponto de medição são eliminadas pela integração monolítica.

"A integração monolítica da eletrônica de potência GaN com sensores e circuito de controle economiza espaço na superfície do chip, reduz o dispêndio na montagem e melhora a confiabilidade. Para aplicativos que exigem muito, muito pequenos, sistemas eficientes para serem instalados em espaço limitado, como na eletromobilidade, isso é crucial, "diz Mönch, que projetou o circuito integrado para o chip GaN. Medindo apenas 4x3 mm², o chip GaN é a base para o desenvolvimento de carregadores integrados mais compactos.

Explorando a característica única do nitreto de gálio

Para a integração monolítica, a equipe de pesquisa utilizou o material semicondutor de nitreto de gálio depositado em um substrato de silício (GaN-on-Si). A característica única da eletrônica de potência GaN-on-Si é a natureza lateral do material:a corrente flui paralelamente à superfície do chip, o que significa que todas as conexões estão localizadas na parte superior do chip e conectadas por caminhos condutores. Esta estrutura lateral dos componentes GaN permite a integração monolítica de vários componentes, como transistores, motoristas, diodos e sensores, em um único chip. "O nitreto de gálio tem mais uma vantagem de mercado crucial em comparação com outros semicondutores de gap largo, como carboneto de silício:GaN pode ser depositado em baixo custo, substratos de silício de grande área, tornando-o adequado para aplicações industriais, "explica Mönch.