在电池供电的应用中，在汽车领域和IT基础设施中，48V技术正在崛起。在这个电压等级中，氮化镓（GaN）功率晶体管在安全性、紧凑性和效率之间提供了最佳的折衷方案。现在，弗劳恩霍夫IAF的科学家们提出了基于氮化镓的集成电路（IC）在低电压应用中的开创性集成概念。
无论是电动自行车、机器人或无人机等电池供电的应用，还是移动领域的驱动和板卡系统，抑或是IT基础设施，所有这些领域都依赖于经济、高效和紧凑的电子产品。为了满足这一需求，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF正在研究基于氮化镓的电力电子应用电路，甚至在高达48V的低电压下。
48V级别的电压最近一直在上升，并在各行各业找到了应用。这是由于与较低的电源电压相比，它能提供更有效的电力传输。因此，对于以前使用更低电压的应用来说，改用48V是一种节省资源的选择。与高压电力电子设备相比，48V在效率和安全之间提供了一个理想的折衷。不需要复杂的安全措施，这使得该电压等级适合于日常应用。
高度集成的氮化镓（GaN）元件和系统是48V技术的理想解决方案。与硅(Si)相比，氮化镓在电力电子方面具有明显更好的物理特性。此外，氮化镓技术允许将整个电路元件集成在一个芯片上。弗劳恩霍夫IAF的研究人员已经开发了各种高度集成的氮化镓电路和用于低压应用的开创性集成概念。他们在领先的电力电子、智能驱动技术、可再生能源和能源管理的国际会议PCIM 2021上展示了他们的研究。
在这里，科学家们展示了他们如何将一个集成半桥的两个晶体管合并成一个高度紧凑的交错设计，而不是通常的并排集成，从而提高其面积效率。此外，他们还将三个这样的半桥集成到一个用于低电压应用的电机变频器GaN IC中，并实现了GaN IC的先进封装技术。
用于低压应用的紧凑而高效的芯片布局
几年来，硅基氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）一直是各种电力电子应用中不可或缺的部件，主要是在高电压系统中。在弗劳恩霍夫IAF，可以看到先进的布局和新的分析设计概念将在未来使氮化镓器件更加紧凑和高效。在研究和开发方面，到目前为止，重点主要放在600V的GaN器件上。弗劳恩霍夫IAF的科学家Richard Reiner说："设计高度紧凑的低电压GaN功率IC的概念几乎没有被探索过！"他在PCIM 2021上发表了关于GaN HEMT面积效率设计的论文。
半桥集成电路的先进封装技术
"氮化镓技术允许在一个芯片中集成由两个功率晶体管组成的半桥，这大大提高了系统的紧凑性。然而，为了利用这一优势，在封装和芯片层面优化集成是极其重要的。"弗劳恩霍夫IAF的博士生Michael Basler解释说。由于对电气和热性能以及可靠性的要求很高，半桥集成电路的封装是一个挑战。在PCIM的演讲中，这位来自弗莱堡的科学家介绍了氮化镓集成电路与PCB嵌入技术的结合，作为一种先进的封装解决方案，可以扩展到系统级封装，实现低压DC/DC转换器的极高功率密度。
电机变频器的集成芯片设计
除了单晶体管外，商业化的氮化镓低压半桥IC也已经问世。这些半桥IC在一个芯片中集成了两个功率晶体管，但只是并排的，这还不能充分发挥其潜力。Fraunhofer IAF现在已经成功地在最小的结构层面上将两个半桥晶体管交错排列，从而进一步提高了效率，并将其中的三个半桥结构集成到一个三相电机逆变器GaN IC中。电机变频器GaN IC的开发者，弗劳恩霍夫IAF的Stefan Mönch解释了这种交错结构带来的优势。本质上的半桥改善了电气开关性能，而且所有三相都在同一个IC中，减少了电机运行时的温度波动。与以前基于氮化镓的电机变频器所需的六个晶体管或三个半桥相比，只有一个IC也更有成本效益，更容易构建。
弗劳恩霍夫IAF提出的低压氮化镓集成电路的集成概念显示了在材料开发、封装设计以及用户友好电路方面的开创性方法。这种高效、紧凑的GaN技术概念构成了未来48V级应用的关键组成部分。所展示的技术是在 "GaNTraction"（由Vector Stiftung支持）和 "GaNonCMOS"（由欧盟的Horizon 2020资助）研究项目中开发的。


来源：贤集网