Technologie

Kompakte und effiziente On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge

10.05.2019 - Alles auf einem Chip: GaN-Power-ICs mit integrierter Sensorik.

Damit sich Fahrzeuge mit Elektroantrieb langfristig durchsetzen können, müssen die Lademöglichkeiten flexibler werden. Um Ladesäulen mit Wechselstrom, Wandlade­stationen oder gegebenen­falls herkömmliche Steckdosen zur Ladung zu nutzen, sind die Nutzer auf On-Board-Ladegeräte angewiesen. Diese im Fahrzeug mitgeführte Lade­elektronik muss möglichst klein, leicht und kostengünstig sein. Dafür braucht es extrem kompakte und gleichzeitig effiziente leistungs­elektronische Systeme wie etwa Spannungswandler. Einem Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für angewandte Festkörper­physik ist es jetzt gelungen, die Funktionalität von GaN-Power-ICs für Spannungs­wandler signifikant zu steigern: Die Wissenschaftler integrierten Strom- und Temperatur­sensoren zusammen mit Leistungs­transistoren, Freilauf­dioden und Gate-Treibern auf einem GaN-basierten Halbleiterchip. Diese Entwicklung ebnet den Weg für kompaktere und effizientere On-Board-Ladegeräte in Elektro­fahrzeugen.

Das Fraunhofer-IAF forscht seit mehreren Jahren an der monolithischen Integration im Bereich der Leistungs­elektronik. Dabei werden mehrere Einzel­komponenten wie etwa Leistungs­bauelemente, Ansteuerung und Sensorik auf einem Halbleiterchip vereint. Die Basis hierfür ist das Halbleiter­material Galliumnitrid. Basierend auf einem Leistungs­transistor der 600 Volt-Klasse ist es den Forschern am Fraunhofer-IAF bereits 2014 gelungen, intrinsische Freilauf­dioden und Gate-Treiber zu integrieren. 2017 wurde dann erstmals eine monolithische GaN-Halbbrücke bei 400 Volt betrieben.

Mit ihren neuesten Forschungsergebnissen vereinen sie jetzt erstmals Strom- und Temperatur­sensorik, Leistungs­transistoren der 600 Volt-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 und damit einen Durchbruch in der Integrations­dichte leistungs­elektronischer Systeme erlangt. „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 Patrick Waltereit, Projektleiter von GaNIAL.

GaNIAL steht für „Integrierte, hocheffiziente Leistungselektronik auf der Basis von Galliumnitrid“. In dem vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt entwickelt das Fraunhofer-IAF seit 2016 zusammen mit der BMW Group, Robert Bosch GmbH, Finepower GmbH und der Uni Stuttgart leistungs­fähige und kompakte Komponenten auf GaN-Basis für die Elektro­mobilität.

Im Vergleich zu herkömmlichen Spannungs­wandlern ermöglicht die neu entwickelte Schaltung nicht nur höhere Schalt­frequenzen und damit eine höhere Leistungsdichte, sondern gleichzeitig eine schnelle und genaue 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“, betont Stefan Mönch vom Fraunhofer-IAF.

Bislang wurden Strom- und Temperatur­sensoren außerhalb des GaN-Chips realisiert. Der integrierte Stromsensor ermöglicht nun die rückwirkungsfreie Messung des Transistor-Stroms zur Regelung und zum Kurzschluss-Schutz und spart Platz im Vergleich zu sonst üblichen externen Stromsensoren. Der integrierte Temperatursensor ermöglicht die direkte Messung der Temperatur des Leistungs­transistors und bildet diese thermisch kritische Stelle damit deutlich genauer und schneller ab als bisherige 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 vier mal drei Quadrat­millimeter 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 Silizium­substrat abgeschieden wurde. 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 Siliziumkarbid: GaN kann auf kostengünstigen und großflächigen Silizium-Substraten abgeschieden werden und eignet sich damit für den industriellen Einsatz“, so Mönch.

Fh.-IAF / RK

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