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Für die Elektromobilität: Monolithisch integrierte GaN-Leistungselektronik

Auf nur 4 x 3 mm2 integrierten Forscher des Fraunhofer IAF Strom- und Temperatursensoren mit Leistungstransistoren, Freilaufdioden und Gate-Treibern auf einem GaN-basierten Halbleiterchip. Dies ermöglicht erheblich kompaktere On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen.

GaN Power IC Bildquelle: © Fraunhofer IAF

In der Elektromobilität müssen möglichst viele kleine und effiziente Systeme auf wenig Platz verbaut werden. Der abgebildete Spannungswandler basiert auf GaN Power ICs der Abmessung 4 x 3 mm²

Bei der sogenannten monolithischen Integration, wie sie am Fraunhofer Institut für angewandte Festkörperphysik seit Jahren erforscht wird, werden Leistungsbauelemente, Ansteuerung und Sensorik auf einem Halbleiterchip vereint. Die Basis hierfür ist das Halbleitermaterial Galliumnitrid. Basierend auf einem Leistungstransistor der 600 V-Klasse integrierten die Forscher am Fraunhofer IAF bereits 2014 intrinsische Freilaufdioden und Gate-Treiber. 2017 betrieben sie eine monolithische GaN-Halbbrücke bei 400 V. Jetzt vereinten sie erstmals Strom- und Temperatursensorik sowie Leistungstransistoren der 600 V-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. »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 Dr. Patrick Waltereit, Projektleiter von GaNIAL und stellvertretender Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. 

Im Vergleich zu herkömmlichen Spannungswandlern ermöglicht die neu entwickelte Schaltung höhere Schaltfrequenzen und damit eine höhere Leistungsdichte sowie eine schnelle, präzise 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«, sagt Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. 

Bislang wurden Strom- und Temperatursensoren außerhalb des GaN-Chips realisiert. Der integrierte Stromsensor ermöglicht die rückwirkungsfreie Messung des Transistor-Stroms zur Regelung und zum Kurzschluss-Schutz und spart Platz. Der integrierte Temperatursensor ermöglicht die direkte Messung der Temperatur des Leistungstransistors und bildet die thermisch kritische Stelle genauer und schneller ab als 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 4 x 3 mm²-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 Siliciumsubstrat abgeschieden wurde (GaN-on-Si). 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 Siliciumcarbid: GaN kann auf kostengünstigen und großflächigen Silicium-Substraten abgeschieden werden und eignet sich damit für den industriellen Einsatz«, so Mönch.