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(gè)電壓等級(jí)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?，F(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(kāi)創(chuàng)性集成概念。
無(wú)論是電動(dòng)自行車、機(jī)器人或無(wú)人機(jī)等電池供電的應(yīng)用，還是移動(dòng)領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)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(jì)、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(dá)48V的低電壓下。
48V級(jí)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(duì)于以前使用更低電壓的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(gè)理想的折衷。不需要復(fù)雜的安全措施，這使得該電壓等級(jí)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(gè)電路元件集成在一個(gè)芯片上。弗勞恩霍夫IAF的研究人員已經(jīng)開(kāi)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(kāi)創(chuàng)性集成概念。他們?cè)陬I(lǐng)先的電力電子、智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)、可再生能源和能源管理的國(guó)際會(huì)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€(gè)集成半橋的兩個(gè)晶體管合并成一個(gè)高度緊湊的交錯(cuò)設(shè)計(jì)，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(gè)這樣的半橋集成到一個(gè)用于低電壓應(yīng)用的電機(jī)變頻器GaN IC中，并實(shí)現(xiàn)了GaN IC的先進(jìn)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(lái)，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(jìn)的布局和新的分析設(shè)計(jì)概念將在未來(lái)使氮化鎵器件更加緊湊和高效。在研究和開(kāi)發(fā)方面，到目前為止，重點(diǎn)主要放在600V的GaN器件上。弗勞恩霍夫IAF的科學(xué)家Richard Reiner說(shuō)："設(shè)計(jì)高度緊湊的低電壓GaN功率IC的概念幾乎沒(méi)有被探索過(guò)！"他在PCIM 2021上發(fā)表了關(guān)于GaN HEMT面積效率設(shè)計(jì)的論文。
半橋集成電路的先進(jìn)封裝技術(shù)
"氮化鎵技術(shù)允許在一個(gè)芯片中集成由兩個(gè)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(shì)，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(shuō)。由于對(duì)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(gè)挑戰(zhàn)。在PCIM的演講中，這位來(lái)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(jìn)的封裝解決方案，可以擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)封裝，實(shí)現(xiàn)低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的極高功率密度。
電機(jī)變頻器的集成芯片設(shè)計(jì)
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(wèn)世。這些半橋IC在一個(gè)芯片中集成了兩個(gè)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(gè)半橋晶體管交錯(cuò)排列，從而進(jìn)一步提高了效率，并將其中的三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)集成到一個(gè)三相電機(jī)逆變器GaN IC中。電機(jī)變頻器GaN IC的開(kāi)發(fā)者，弗勞恩霍夫IAF的Stefan Mönch解釋了這種交錯(cuò)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。本質(zhì)上的半橋改善了電氣開(kāi)關(guān)性能，而且所有三相都在同一個(gè)IC中，減少了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度波動(dòng)。與以前基于氮化鎵的電機(jī)變頻器所需的六個(gè)晶體管或三個(gè)半橋相比，只有一個(gè)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(kāi)發(fā)、封裝設(shè)計(jì)以及用戶友好電路方面的開(kāi)創(chuàng)性方法。這種高效、緊湊的GaN技術(shù)概念構(gòu)成了未來(lái)48V級(jí)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(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的。


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