在電池供電的應(yīng)用中，在汽車領(lǐng)域和IT基礎(chǔ)設(shè)施中，48V技術(shù)正在崛起。在這個電壓等級中，氮化鎵（GaN）功率晶體管在安全性、緊湊性和效率之間提供了最佳的折衷方案。現(xiàn)在，弗勞恩霍夫IAF的科學(xué)家們提出了基于氮化鎵的集成電路（IC）在低電壓應(yīng)用中的開創(chuàng)性集成概念。
無論是電動自行車、機器人或無人機等電池供電的應(yīng)用，還是移動領(lǐng)域的驅(qū)動和板卡系統(tǒng)，抑或是IT基礎(chǔ)設(shè)施，所有這些領(lǐng)域都依賴于經(jīng)濟、高效和緊湊的電子產(chǎn)品。為了滿足這一需求，弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所IAF正在研究基于氮化鎵的電力電子應(yīng)用電路，甚至在高達48V的低電壓下。
48V級別的電壓最近一直在上升，并在各行各業(yè)找到了應(yīng)用。這是由于與較低的電源電壓相比，它能提供更有效的電力傳輸。因此，對于以前使用更低電壓的應(yīng)用來說，改用48V是一種節(jié)省資源的選擇。與高壓電力電子設(shè)備相比，48V在效率和安全之間提供了一個理想的折衷。不需要復(fù)雜的安全措施，這使得該電壓等級適合于日常應(yīng)用。
高度集成的氮化鎵（GaN）元件和系統(tǒng)是48V技術(shù)的理想解決方案。與硅(Si)相比，氮化鎵在電力電子方面具有明顯更好的物理特性。此外，氮化鎵技術(shù)允許將整個電路元件集成在一個芯片上。弗勞恩霍夫IAF的研究人員已經(jīng)開發(fā)了各種高度集成的氮化鎵電路和用于低壓應(yīng)用的開創(chuàng)性集成概念。他們在領(lǐng)先的電力電子、智能驅(qū)動技術(shù)、可再生能源和能源管理的國際會議PCIM 2021上展示了他們的研究。
在這里，科學(xué)家們展示了他們?nèi)绾螌⒁粋€集成半橋的兩個晶體管合并成一個高度緊湊的交錯設(shè)計，而不是通常的并排集成，從而提高其面積效率。此外，他們還將三個這樣的半橋集成到一個用于低電壓應(yīng)用的電機變頻器GaN IC中，并實現(xiàn)了GaN IC的先進封裝技術(shù)。
用于低壓應(yīng)用的緊湊而高效的芯片布局
幾年來，硅基氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）一直是各種電力電子應(yīng)用中不可或缺的部件，主要是在高電壓系統(tǒng)中。在弗勞恩霍夫IAF，可以看到先進的布局和新的分析設(shè)計概念將在未來使氮化鎵器件更加緊湊和高效。在研究和開發(fā)方面，到目前為止，重點主要放在600V的GaN器件上。弗勞恩霍夫IAF的科學(xué)家Richard Reiner說："設(shè)計高度緊湊的低電壓GaN功率IC的概念幾乎沒有被探索過！"他在PCIM 2021上發(fā)表了關(guān)于GaN HEMT面積效率設(shè)計的論文。
半橋集成電路的先進封裝技術(shù)
"氮化鎵技術(shù)允許在一個芯片中集成由兩個功率晶體管組成的半橋，這大大提高了系統(tǒng)的緊湊性。然而，為了利用這一優(yōu)勢，在封裝和芯片層面優(yōu)化集成是極其重要的。"弗勞恩霍夫IAF的博士生Michael Basler解釋說。由于對電氣和熱性能以及可靠性的要求很高，半橋集成電路的封裝是一個挑戰(zhàn)。在PCIM的演講中，這位來自弗萊堡的科學(xué)家介紹了氮化鎵集成電路與PCB嵌入技術(shù)的結(jié)合，作為一種先進的封裝解決方案，可以擴展到系統(tǒng)級封裝，實現(xiàn)低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的極高功率密度。
電機變頻器的集成芯片設(shè)計
除了單晶體管外，商業(yè)化的氮化鎵低壓半橋IC也已經(jīng)問世。這些半橋IC在一個芯片中集成了兩個功率晶體管，但只是并排的，這還不能充分發(fā)揮其潛力。Fraunhofer IAF現(xiàn)在已經(jīng)成功地在最小的結(jié)構(gòu)層面上將兩個半橋晶體管交錯排列，從而進一步提高了效率，并將其中的三個半橋結(jié)構(gòu)集成到一個三相電機逆變器GaN IC中。電機變頻器GaN IC的開發(fā)者，弗勞恩霍夫IAF的Stefan Mönch解釋了這種交錯結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)勢。本質(zhì)上的半橋改善了電氣開關(guān)性能，而且所有三相都在同一個IC中，減少了電機運行時的溫度波動。與以前基于氮化鎵的電機變頻器所需的六個晶體管或三個半橋相比，只有一個IC也更有成本效益，更容易構(gòu)建。
弗勞恩霍夫IAF提出的低壓氮化鎵集成電路的集成概念顯示了在材料開發(fā)、封裝設(shè)計以及用戶友好電路方面的開創(chuàng)性方法。這種高效、緊湊的GaN技術(shù)概念構(gòu)成了未來48V級應(yīng)用的關(guān)鍵組成部分。所展示的技術(shù)是在 "GaNTraction"（由Vector Stiftung支持）和 "GaNonCMOS"（由歐盟的Horizon 2020資助）研究項目中開發(fā)的。


來源：賢集網(wǎng)