[据物理世界网站2019年5月6日报道] 近期，德国弗劳恩霍夫（Fraunhofer）应用固体物理研究所（IAF）的研究人员在氮化镓功率器件研究领域取得重大突破，成功将电流和温度传感器、功率晶体管、本征飞轮二极管、栅极驱动器集成在一个氮化镓半导体芯片上，大幅提升了氮化镓功率集成电路电压转换器的功能，为制造更紧凑、更高效的电动车车载充电器奠定了带来了希望。
电动车需要具备更加灵活的充电方式，才能更具市场竞争力。为了尽可能方便使用交流电充电站、壁式充电站或传统插头插座等方式充电，车载充电器是电动车必不可少的关键装备。由于需要在汽车上携带，车载充电器必须尽可能地小巧和轻便，且具有较高的成本效益。因此，需要非常紧凑而高效的电力电子系统，如电压转换器。
在单芯片上集成多个器件
德国弗劳恩霍夫（Fraunhofer）应用固体物理研究所（IAF）在电力电子器件单片集成研究领域已从事了多年研究。这项研究工作需要利用第三代半导体材料氮化镓（GaN）将功率器件、控制电路、传感器等器件集成到同一个半导体芯片上。2014年，研究人员成功在一个600伏级功率晶体管中集成了本征飞轮二极管和栅极驱动器。在此基础上，研究人员又于2017年首次在400伏条件下成功运行了氮化镓半桥单片集成电路。
近期，他们又取得了最新的研究成果，首次将电流和温度传感器、600伏级功率晶体管、本征飞轮二极管、栅极驱动器共同集成在一个尺寸仅为4×3 mm²的单片氮化镓功率集成电路芯片中。作为“基于氮化镓的集成高效电力电子技术”（GaNIAL）研究项目的一部分，研究人员对氮化镓功率集成电路的所有功能特性进行了验证，成功实现了电力电子系统集成密度的突破。通过在氮化镓芯片上集成传感器，研究人员成功大幅提升了电力电子领域氮化镓技术的功能性。
用于直接控制的集成传感器
与传统电压变换器相比，新研制的功率集成电路不仅具有更高的开关频率和更高的功率密度；还提供了在芯片内部对芯片状态进行快速、准确监测的功能。虽然基于氮化镓的电力电子器件开关频率的增加有助于越来越紧凑的设计，但这也对监测和控制提出了更高的要求。这意味着，在同一芯片中集成传感器将带来巨大的优势。
以前，电流和温度传感器相对于氮化镓芯片来说都属于外部应用器件。实现芯片内部集成后，可对晶体管电流进行无反馈测量，实现闭环控制和短路保护，且与应用传统外部电流传感器相比大幅节省了系统空间。通过单片集成的温度传感器能够直接测量功率晶体管的温度，因此消除了因传感器与测量点间距离而产生的温度偏差。与以前的外部传感器相比，集成的温度传感器能够更快、更准确地测量热临界点。
氮化镓电力电子器件与传感器和控制电路的单片集成，节省了芯片表面空间，降低了装配成本，提高了系统可靠性。这对于需要在有限空间内集成大量小型、高效系统以提高电迁移率等电学特性的应用领域十分关键。全新的氮化镓单片功率集成电路芯片有望成为进一步开发更加紧凑的车载充电器的基础。
利用氮化镓材料独一无二的特性
在制作新型单片集成电路的过程中，研究人员将氮化镓半导体材料沉积在硅衬底上构成硅上氮化镓（GaN-on-Si）的电力电子器件结构，使器件具有了优良的材料特性：电流平行于芯片表面流动，使所有的连接都位于芯片的顶部，并通过导体路径连接。这种横向结构的氮化镓器件有助于在单一芯片上集成多个组件，如晶体管、驱动器、二极管和传感器等。此外，与碳化硅等其他宽禁带半导体材料相比，氮化镓具有大的市场优势: 氮化镓可低成本、大面积的硅衬底上实现沉积，更适合于大规模的工业生产。（工业和信息化部电子第一研究所 李铁成）
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