Une équipe de chercheurs de Fraunhofer a réussi à améliorer considérablement la fonctionnalité des circuits intégrés de puissance GaN pour les convertisseurs de tension :les chercheurs de Fraunhofer IAF ont intégré des capteurs de courant et de température sur une puce semi-conductrice à base de GaN, avec des transistors de puissance, diodes de roue libre et pilotes de grille. Cette évolution ouvre la voie à des chargeurs embarqués plus compacts et plus efficaces dans les véhicules électriques.

Pour que les véhicules à propulsion électrique deviennent une présence durable dans la société, il doit y avoir une plus grande flexibilité dans les options de charge. Pour utiliser les bornes de recharge en courant alternatif, bornes de recharge murales ou prises de courant conventionnelles lorsque cela est possible, les utilisateurs dépendent des chargeurs embarqués. Comme cette technologie de charge est embarquée dans le véhicule, il doit être aussi petit et léger que possible, et aussi rentable. Il nécessite donc des systèmes d'électronique de puissance extrêmement compacts mais efficaces tels que des convertisseurs de tension.

Plusieurs composants sur une seule puce

L'Institut Fraunhofer de physique appliquée du solide IAF mène depuis plusieurs années des recherches sur l'intégration monolithique dans le domaine de l'électronique de puissance. Cela nécessite plusieurs composants tels que des composants de puissance, le circuit de commande et les capteurs doivent être combinés sur une seule puce semi-conductrice. Le concept utilise le matériau semi-conducteur nitrure de gallium. De retour en 2014, les chercheurs de Fraunhofer IAF ont réussi à intégrer des diodes de roue libre intrinsèques et des pilotes de grille sur un transistor de puissance de classe 600V. En 2017, un demi-pont monolithique GaN a ensuite été exploité à 400V pour la première fois.

Les derniers résultats de la recherche combinent pour la première fois des capteurs de courant et de température et des transistors de puissance de classe 600 V avec des diodes de roue libre intrinsèques et des circuits d'attaque de grille dans un circuit intégré de puissance GaN. Dans le cadre du projet de recherche GaNIAL, les chercheurs ont fourni une vérification fonctionnelle de la pleine fonctionnalité d'un circuit intégré de puissance GaN, une percée dans la densité d'intégration des systèmes d'électronique de puissance. « En intégrant en plus des capteurs sur la puce GaN, nous avons réussi à améliorer significativement la fonctionnalité de notre technologie GaN pour l'électronique de puissance, " explique le Dr Patrick Waltereit, chef de projet de GaNIAL et directeur adjoint de la business unit Power Electronics chez Fraunhofer IAF.

Capteurs intégrés pour un contrôle direct

Par rapport aux convertisseurs de tension conventionnels, le circuit nouvellement développé permet non seulement des fréquences de commutation plus élevées et une densité de puissance plus élevée; il permet également une surveillance rapide et précise de l'état de la puce elle-même. "Bien que la fréquence de commutation accrue de l'électronique de puissance à base de GaN permette des conceptions de plus en plus compactes, il en résulte une plus grande exigence de leur surveillance et de leur contrôle. Cela signifie qu'avoir des capteurs intégrés au sein d'une même puce est un avantage considérable, " souligne Stefan Mönch, chercheur dans l'unité commerciale Power Electronics de Fraunhofer IAF.

Précédemment, des capteurs de courant et de température ont été implémentés à l'extérieur de la puce GaN. Le capteur de courant intégré permet désormais une mesure sans retour du courant du transistor pour le contrôle en boucle fermée et la protection contre les courts-circuits, et économise de l'espace par rapport aux capteurs de courant externes habituels. Le capteur de température intégré permet une mesure directe de la température du transistor de puissance, cartographiant ainsi ce point thermiquement critique considérablement plus rapidement et avec plus de précision que les capteurs externes précédents, car la distance et la différence de température résultante entre le capteur et le point de mesure sont éliminées par l'intégration monolithique.

"L'intégration monolithique de l'électronique de puissance GaN avec les capteurs et le circuit de commande permet d'économiser de l'espace sur la surface de la puce, réduit les frais d'assemblage et améliore la fiabilité. Pour les applications qui nécessitent beaucoup de très petites, des systèmes performants à installer dans un espace restreint, comme en électromobilité, c'est crucial, " dit Mönch, qui a conçu le circuit intégré de la puce GaN. Mesurant seulement 4x3 mm², la puce GaN est la base du développement ultérieur de chargeurs embarqués plus compacts.

Exploiter la caractéristique unique du nitrure de gallium

Pour l'intégration monolithique, l'équipe de recherche a utilisé le matériau semi-conducteur nitrure de gallium déposé sur un substrat de silicium (GaN-on-Si). La particularité de l'électronique de puissance GaN-sur-Si est la nature latérale du matériau :le courant circule parallèlement à la surface de la puce, ce qui signifie que toutes les connexions sont situées sur le dessus de la puce et connectées via des chemins conducteurs. Cette structure latérale des composants GaN permet l'intégration monolithique de plusieurs composants, comme les transistors, Conducteurs, diodes et capteurs, sur une seule puce. « Le nitrure de gallium a un autre avantage crucial sur le marché par rapport aux autres semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le carbure de silicium :le GaN peut être déposé sur des supports économiques, substrats de silicium de grande surface, ce qui le rend adapté aux applications industrielles, " explique Mönch.