弗劳恩霍夫研究所成功在GaN芯片集成多个元件 为研发紧凑型车载充电器奠定基础

德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(Fraunhofer IAF)的研究人员成功将电流传感器、温度传感器以及功率晶体管、续流二极管以及栅极驱动器都集成到了基于GaN的半导体芯片上，从而显著地提升了用于电压转换器的氮化镓功率集成电路(GaN power IC，即芯片)的功能。此次研究进展将为研发更紧凑、更高效的电动汽车车载充电器铺平道路。

如果电动汽车想要在社会上长期立足，就需要拥有更加灵活的充电选择。为了尽可能使用交流电充电桩、壁挂式充电桩或传统的插头插座充电桩，用户就需要依赖车载充电器。由于此类技术是汽车自带的，因而必须尽可能地小且轻，同时成本效益要高。因此，此类充电器就需要电压转换器等非常紧凑而高效的电力电子系统。

单个芯片上集成多个元件

多年来，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(Fraunhofer IAF)都致力于研究电力电子领域的单片集成技术，即需要将功率元件、控制电路和传感器组合在单个半导体芯片上，该概念利用了半导体材料氮化镓(gallium nitride，GaN)。早在2014年，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的研究人员就成功在一个600V的功率晶体管上集成了续流二极管和栅极驱动器。2017年，一个单片GaN半电桥首次以400V电压运行。

弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的最新研究成果是，首次成功将电流和温度传感器、600V功率晶体管、续流二极管和栅极驱动器都集成至一个GaN功率集成电路上。作为GaNIAL研究项目的一部分，研究人员对GaN功率集成电路的全部功能进行了功能验证，实现了电力电子系统集成技术的突破。

与传统的电压转换器相比，新研发的电路不仅具有更高的开关频率以及更高的功率密度，还能快速而准确地对芯片本身进行监测。弗劳恩霍夫应用固体物理研究所电力电子业务部研究员Stefan Mönch强调表示：“虽然基于GaN的功率电子产品的开关频率增加可使得设计变得越来越紧凑，但是，同时也对监测和控制自己本身提出了更高的要求。”

以前，电流和温度传感器都在GaN芯片外部进行工作，现在集成了电流传感器就可以对晶体管电流进行无反馈测量，实现闭环控制和短路保护功能，此外，与传统的外部电流传感器相比，节省了芯片的空间。而集成了温度传感器就可以直接测量功率晶体管的温度，由于单片集成电路消除了传感器与测量点之间因距离产生的温度差，因而，与以前的外部传感器相比，集成了温度传感器就可以更快、更准确地反映出热临界点。

为GaN芯片设计和集成电路的Mönch表示：“将GaN芯片与传感器和控制电路整体集成可节省芯片表面的空间，降低装配成本，提高可靠性。对于需要在有限空间内安装大量非常小而高效的系统的应用来说，这点至关重要。”该GaN芯片尺寸大小仅为4×3 mm²，为进一步研发更加紧凑的车载充电器奠定了基础。