Un team di ricercatori Fraunhofer è riuscito a migliorare significativamente la funzionalità dei circuiti integrati di potenza GaN per i convertitori di tensione:i ricercatori del Fraunhofer IAF hanno integrato sensori di corrente e temperatura su un chip semiconduttore basato su GaN, insieme ai transistor di potenza, diodi a ruota libera e gate driver. Questo sviluppo apre la strada a caricabatterie di bordo più compatti ed efficienti nei veicoli elettrici.

Affinché i veicoli a trazione elettrica diventino una presenza duratura nella società, è necessaria una maggiore flessibilità nelle opzioni di ricarica. Per usufruire di stazioni di ricarica a corrente alternata, stazioni di ricarica a muro o prese di corrente convenzionali ove possibile, gli utenti dipendono dai caricabatterie di bordo. Poiché questa tecnologia di ricarica viene trasportata nel veicolo, deve essere il più piccolo e leggero possibile, e anche conveniente. Richiede quindi sistemi elettronici di potenza estremamente compatti ma efficienti come i convertitori di tensione.

Diversi componenti su un singolo chip

L'Istituto Fraunhofer per la fisica applicata dello stato solido IAF ha condotto ricerche sull'integrazione monolitica nel campo dell'elettronica di potenza per diversi anni. Ciò richiede diversi componenti come componenti di alimentazione, il circuito di controllo e i sensori da combinare su un singolo chip a semiconduttore. Il concetto utilizza il materiale semiconduttore nitruro di gallio. Già nel 2014, i ricercatori del Fraunhofer IAF sono riusciti a integrare diodi a ruota libera intrinseci e gate driver su un transistor di potenza di classe 600V. Nel 2017, un semiponte monolitico in GaN è stato poi fatto funzionare a 400V per la prima volta.

Gli ultimi risultati della ricerca combinano per la prima volta sensori di corrente e temperatura e transistor di potenza di classe 600V con diodi a ruota libera intrinseci e gate driver in un circuito integrato di alimentazione GaN. Nell'ambito del progetto di ricerca GaNIAL, i ricercatori hanno fornito la verifica funzionale della piena funzionalità in un CI di alimentazione GaN, raggiungere una svolta nella densità di integrazione dei sistemi di elettronica di potenza. "Integrando inoltre i sensori sul chip GaN, siamo riusciti a migliorare significativamente la funzionalità della nostra tecnologia GaN per l'elettronica di potenza, " spiega il dottor Patrick Waltereit, project manager di GaNIAL e vice capo della business unit Power Electronics presso Fraunhofer IAF.

Sensori integrati per il controllo diretto

Rispetto ai convertitori di tensione convenzionali, il circuito di nuova concezione consente contemporaneamente non solo frequenze di commutazione più elevate e una maggiore densità di potenza; fornisce anche un monitoraggio delle condizioni rapido e accurato all'interno del chip stesso. "Sebbene la maggiore frequenza di commutazione dell'elettronica di potenza basata su GaN consenta design sempre più compatti, ciò si traduce in una maggiore necessità di monitoraggio e controllo. Ciò significa che avere sensori integrati all'interno dello stesso chip è un notevole vantaggio, " sottolinea Stefan Mönch, un ricercatore nella business unit Power Electronics presso Fraunhofer IAF.

In precedenza, sensori di corrente e temperatura sono stati implementati esternamente al chip GaN. Il sensore di corrente integrato ora consente la misurazione senza feedback della corrente del transistor per il controllo ad anello chiuso e la protezione da cortocircuito, e consente di risparmiare spazio rispetto ai normali sensori di corrente esterni. Il sensore di temperatura integrato consente la misurazione diretta della temperatura del transistor di potenza, mappando così questo punto termicamente critico notevolmente più velocemente e con maggiore precisione rispetto ai precedenti sensori esterni, in quanto la distanza e la conseguente differenza di temperatura tra il sensore e il punto di misura viene eliminata dall'integrazione monolitica.

"L'integrazione monolitica dell'elettronica di potenza GaN con sensori e circuito di controllo consente di risparmiare spazio sulla superficie del chip, riduce la spesa per il montaggio e migliora l'affidabilità. Per applicazioni che richiedono lotti molto piccoli, sistemi efficienti da installare in spazi limitati, come nell'elettromobilità, questo è fondamentale, "dice Monch, che ha progettato il circuito integrato per il chip GaN. Misura solo 4x3 mm², il chip GaN è la base per l'ulteriore sviluppo di caricabatterie di bordo più compatti.

Sfruttare la caratteristica unica del nitruro di gallio

Per l'integrazione monolitica, il team di ricerca ha utilizzato il materiale semiconduttore nitruro di gallio depositato su un substrato di silicio (GaN-on-Si). La caratteristica unica dell'elettronica di potenza GaN-on-Si è la natura laterale del materiale:la corrente scorre parallela alla superficie del chip, il che significa che tutte le connessioni si trovano sulla parte superiore del chip e sono collegate tramite percorsi conduttori. Questa struttura laterale dei componenti in GaN consente l'integrazione monolitica di più componenti, come i transistor, autisti, diodi e sensori, su un singolo chip. "Il nitruro di gallio ha un ulteriore vantaggio cruciale sul mercato rispetto ad altri semiconduttori a banda larga, come il carburo di silicio:il GaN può essere depositato su substrati di silicio di grandi dimensioni, rendendolo adatto per applicazioni industriali, " spiega Mönch.