在電池供電的應用中，在汽車領域和IT基礎設施中，48V技術正在崛起。在這個電壓等級中，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在，弗勞恩霍夫IAF的科學家們提出了基于氮化鎵的集成電路（IC）在低電壓應用中的開創性集成概念。
無論是電動自行車、機器人或無人機等電池供電的應用，還是移動領域的驅動和板卡系統，抑或是IT基礎設施，所有這些領域都依賴于經濟、高效和緊湊的電子產品。為了滿足這一需求，弗勞恩霍夫應用固體物理研究所IAF正在研究基于氮化鎵的電力電子應用電路，甚至在高達48V的低電壓下。
48V級別的電壓最近一直在上升，并在各行各業找到了應用。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，對于以前使用更低電壓的應用來說，改用48V是一種節省資源的選擇。與高壓電力電子設備相比，48V在效率和安全之間提供了一個理想的折衷。不需要復雜的安全措施，這使得該電壓等級適合于日常應用。
高度集成的氮化鎵（GaN）元件和系統是48V技術的理想解決方案。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，氮化鎵技術允許將整個電路元件集成在一個芯片上。弗勞恩霍夫IAF的研究人員已經開發了各種高度集成的氮化鎵電路和用于低壓應用的開創性集成概念。他們在領先的電力電子、智能驅動技術、可再生能源和能源管理的國際會議PCIM 2021上展示了他們的研究。
在這里，科學家們展示了他們如何將一個集成半橋的兩個晶體管合并成一個高度緊湊的交錯設計，而不是通常的并排集成，從而提高其面積效率。此外，他們還將三個這樣的半橋集成到一個用于低電壓應用的電機變頻器GaN IC中，并實現了GaN IC的先進封裝技術。
用于低壓應用的緊湊而高效的芯片布局
幾年來，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用中不可或缺的部件，主要是在高電壓系統中。在弗勞恩霍夫IAF，可以看到先進的布局和新的分析設計概念將在未來使氮化鎵器件更加緊湊和高效。在研究和開發方面，到目前為止，重點主要放在600V的GaN器件上。弗勞恩霍夫IAF的科學家Richard Reiner說："設計高度緊湊的低電壓GaN功率IC的概念幾乎沒有被探索過！"他在PCIM 2021上發表了關于GaN HEMT面積效率設計的論文。
半橋集成電路的先進封裝技術
"氮化鎵技術允許在一個芯片中集成由兩個功率晶體管組成的半橋，這大大提高了系統的緊湊性。然而，為了利用這一優勢，在封裝和芯片層面優化集成是極其重要的。"弗勞恩霍夫IAF的博士生Michael Basler解釋說。由于對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挑戰。在PCIM的演講中，這位來自弗萊堡的科學家介紹了氮化鎵集成電路與PCB嵌入技術的結合，作為一種先進的封裝解決方案，可以擴展到系統級封裝，實現低壓DC/DC轉換器的極高功率密度。
電機變頻器的集成芯片設計
除了單晶體管外，商業化的氮化鎵低壓半橋IC也已經問世。這些半橋IC在一個芯片中集成了兩個功率晶體管，但只是并排的，這還不能充分發揮其潛力。Fraunhofer IAF現在已經成功地在最小的結構層面上將兩個半橋晶體管交錯排列，從而進一步提高了效率，并將其中的三個半橋結構集成到一個三相電機逆變器GaN IC中。電機變頻器GaN IC的開發者，弗勞恩霍夫IAF的Stefan Mönch解釋了這種交錯結構帶來的優勢。本質上的半橋改善了電氣開關性能，而且所有三相都在同一個IC中，減少了電機運行時的溫度波動。與以前基于氮化鎵的電機變頻器所需的六個晶體管或三個半橋相比，只有一個IC也更有成本效益，更容易構建。
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發、封裝設計以及用戶友好電路方面的開創性方法。這種高效、緊湊的GaN技術概念構成了未來48V級應用的關鍵組成部分。所展示的技術是在 "GaNTraction"（由Vector Stiftung支持）和 "GaNonCMOS"（由歐盟的Horizon 2020資助）研究項目中開發的。


來源：賢集網