Kompakte und effiziente On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge
Alles auf einem Chip: GaN-Power-ICs mit integrierter Sensorik.
Damit sich Fahrzeuge mit Elektroantrieb langfristig durchsetzen können, müssen die Lademöglichkeiten flexibler werden. Um Ladesäulen mit Wechselstrom, Wandladestationen oder gegebenenfalls 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 Spannungswandler. Einem Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für angewandte Festkörperphysik ist es jetzt gelungen, die Funktionalität von GaN-Power-ICs für Spannungswandler signifikant zu steigern: Die Wissenschaftler integrierten Strom- und Temperatursensoren zusammen mit Leistungstransistoren, Freilaufdioden und Gate-Treibern auf einem GaN-basierten Halbleiterchip. Diese Entwicklung ebnet den Weg für kompaktere und effizientere On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen.
Das Fraunhofer-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. Die Basis hierfür ist das Halbleitermaterial Galliumnitrid. Basierend auf einem Leistungstransistor der 600 Volt-Klasse ist es den Forschern am Fraunhofer-IAF bereits 2014 gelungen, intrinsische Freilaufdioden und Gate-Treiber zu integrieren. 2017 wurde dann erstmals eine monolithische GaN-Halbbrücke bei 400 Volt betrieben.
Mit ihren neuesten Forschungsergebnissen vereinen sie jetzt erstmals Strom- und Temperatursensorik, Leistungstransistoren der 600 Volt-Klasse mit intrinsischen Freilaufdioden und Gate-Treiber in einem GaN-Power-IC. Im Rahmen des Forschungsprojektes GaNIAL haben die Forscher den Funktionsnachweis all dieser Funktionalität in einem GaN-Power-IC erbracht und damit einen Durchbruch in der Integrationsdichte leistungselektronischer Systeme erlangt. „Mit der zusätzlichen Integration von Sensoren auf dem GaN-Chip ist es uns gelungen, die Funktionalität unserer GaN-Technologie für die Leistungselektronik signifikant zu steigern“, erklärt Patrick Waltereit, Projektleiter von GaNIAL.
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 der BMW Group, Robert Bosch GmbH, Finepower GmbH und der Uni Stuttgart leistungsfähige und kompakte Komponenten auf GaN-Basis für die Elektromobilität.
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 vom 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.
„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 vier mal drei Quadratmillimeter kleine GaN-Chip bildet die Basis für die weitere Entwicklung von kompakteren On-Board-Ladegeräten.
Für die monolithische Integration nutzt das Forscherteam das Halbleitermaterial Galliumnitrid, das auf Siliziumsubstrat abgeschieden wurde. Die Besonderheit der GaN-on-Si-Leistungselektronik liegt in der lateralen Beschaffenheit des Materials: Der Strom fließt parallel zur Chipoberfläche, wodurch sich alle Anschlüsse auf der Chipoberseite befinden und über Leiterbahnen verbunden sind. Diese laterale Struktur der GaN-Bauteile erlaubt die monolithische Integration von mehreren Komponenten wie Transistoren, Treibern, Dioden und Sensoren auf einem Chip. „Galliumnitrid verfügt über einen weiteren entscheidenden Marktvorteil gegenüber anderen Wide-Bandgap-Halbleitern wie etwa Siliziumkarbid: GaN kann auf kostengünstigen und großflächigen Silizium-Substraten abgeschieden werden und eignet sich damit für den industriellen Einsatz“, so Mönch.
Fh.-IAF / RK
Weitere Infos
