低压 GaN 设计实现紧凑型三相电机逆变器集成电路

Fraunhofer IAF 的科学家们展示了用于低压应用的基于 GaN 芯片的开创性集成概念

在电池供电应用、汽车行业和 IT 基础设施中，48 V 技术正在兴起。在此电压等级中，GaN 功率晶体管在安全性、紧凑性和效率之间提供了最佳折衷方案。

现在，Fraunhofer IAF 的科学家们提出了用于低压应用的基于 GaN 的集成电路的开创性集成概念。

48 V 级最近呈上升趋势，并在各种行业中得到应用。这是因为与较低的电源电压相比，它提供了更高效的电力传输。因此，对于以前使用更低电压的应用，改用 48 V 是一种节省资源的替代方案。与高压电力电子器件相比，48 V 提供了效率和安全性之间的理想折衷。不需要复杂的安全措施，这使得电压等级适合日常应用。

高度集成的 GaN 组件和系统是 48 V 技术的理想解决方案。与硅 (Si) 相比，GaN 具有明显更好的电力电子物理性能。此外，GaN 技术允许将整个电路组件集成在一个芯片上。

Fraunhofer IAF 的研究人员开发了各种高度集成的 GaN 电路和用于低压应用的开创性集成概念。他们在电力电子、智能驱动技术、可再生能源和能源管理 PCIM 2021 的领先国际会议上展示了他们的研究成果。

在 PCIM 上，科学家们展示了他们如何将集成半桥的两个晶体管合并到一个高度紧凑的交错设计中，而不是通常的并排集成，从而提高了其面积效率。他们进一步将三个这样的半桥集成到用于低电压应用的电机逆变器 GaN 集成电路中，并实现了 GaN 集成电路的先进封装技术。

低电压应用的芯片布局

几年来，GaN-on-Si HEMT 一直是各种电力电子应用中不可或缺的组件，主要用于高压系统中。在 Fraunhofer IAF 上，可以展示先进的布局和新的分析设计理念如何在未来使 GaN 器件更加紧凑和高效。 “在研发方面，迄今为止，重点主要放在 600 V GaN 器件上。几乎没有人探索过设计高度紧凑的低压 GaN 功率集成电路的概念！” Fraunhofer IAF 的科学家 Richard Reiner 在 PCIM 2021 上发表了关于 GaN HEMT 的面积效率设计的论文。

半桥集成电路的先进封装

“GaN 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，这显著提高了系统的紧凑性。然而，为了利用这一点，优化封装和芯片级的集成非常重要，”Fraunhofer 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高要求，半桥集成电路的封装是一项挑战。在 PCIM 的演讲中，这位来自弗莱堡的科学家提出了一种将GaN 集成电路 与 PCB 嵌入技术相组合的先进封装解决方案，它可以扩展到系统级封装，并为低压DC/DC转换器提供极高的功率密度。

电机逆变器集成芯片设计

除了单晶体管外，商用 GaN 低压半桥集成电路已经可以使用。这些半桥集成电路在一个芯片中集成了两个功率晶体管，但只是并排，尚未充分发挥潜力。 Fraunhofer IAF 现在设法在最小的结构级别上交错两个半桥晶体管，这进一步提高了效率并将其中三个半桥结构集成到一个三相电机逆变器 GaN集成电路中。

Fraunhofer IAF 的电机逆变器 GaN 集成电路的开发者 Stefan Mönch 解释了这种交错结构带来的优势：“本征半桥改善了电气开关特性，同一集成电路中的所有三相降低了电机运行期间的温度波动。与以前基于 GaN 的电机逆变器所需的六个晶体管或三个半桥相比，仅一个集成电路也更具成本效益且更易于构建。”

Fraunhofer IAF 的低压 GaN 集成电路的集成概念，展示了材料开发、封装设计以及用户友好电路的开创性方法。此类高效紧凑型 GaN 技术的概念构成了未来 48 V 类应用的关键组件。所提出的技术是在研究项目GaNTraction（由Vector Stiftung支持）和GaNonCMOS（由欧盟地平线2020资助）中开发的。

参考文献

The publications on the technologies described were published in the anthology of PCIM 2021: ISBN 978-3-8007-5515-8 DNB, Katalog der Deutschen.