Un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer ha logrado mejorar significativamente la funcionalidad de los circuitos integrados de potencia de nitruro de galio (GaN) que se utilizan en los convertidores de voltaje de la electrónica de potencia que controla el cargador de a bordo de los vehículos eléctricos. Para ello han integrado los sensores de corriente y temperatura en el interior del chip, logrando que los cargadores sean más compactos y más eficientes durante la recarga.

Para utilizar las estaciones de carga de corriente alterna, tales como los postes públicos, armarios de carga tipo wallbox para las viviendas o los enchufes domésticos habituales, los usuarios de un vehículo eléctrico dependen del cargador de a bordo. Este componente, debe ser lo más pequeño y liviano posible ya que va montado en el propio vehículo. También debe ser lo más económico posible para no elevar el precio final de todo el vehículo por lo que requiere sistemas electrónicos de potencia extremadamente compactos y muy eficientes.

Circuitos de potencia de GaN con transistores integrados, controladores de compuerta, diodos y sensores de temperatura y monotorización. Fuente: Fraunhofer IAF.

Desde 2016, el proyecto GaNIAL financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán, ha estado trabajando en el desarrollo de componentes potentes y compactos basados ​​en nitruro de galio (GaN) para ser aplicados a la movilidad eléctrica. En él colaboran el Instituto Fraunhofer IAF (Applied Solid State Physics), BMW Group, Bosch, Finepower y la Universidad de Stuttgart.

La electrónica de potencia se encarga de alimentar, adaptar, transformar y controlar los voltajes y las corrientes de los motores eléctricos y del sistema de recarga. Durante varios años, el Instituto Fraunhofer IAF ha investigado en la integración de sus componentes para combinarlos en un único chip semiconductor de nitruro de galio.

“Al integrar sensores en el chip GaN, logramos mejorar significativamente la funcionalidad de la electrónica de potencia”, explica Patrick Waltereit, gerente de proyectos de GaNIAL y jefe adjunto de la unidad de negocios de electrónica de potencia en Fraunhofer IAF. En comparación con los convertidores de voltaje convencionales, el nuevo circuito desarrollado permite frecuencias de conmutación más altas y una mayor densidad de potencia, además de proporcionar una monitorización rápida y precisa dentro del propio chip.

Es precisamente este aumento en la conmutación de la frecuencia de la electrónica de potencia basada en GaN la que permite diseños cada vez más compactos. Al necesitar un control superior y unos mayores requerimientos de monitorización, incluir sensores integrados dentro del mismo chip supone una ventaja considerable.

Convertidor de voltaje basado en circuitos integrados de potencia de GaN que miden 4 x 3 mm². Fuente: Fraunhofer IAF.

Anteriormente, los sensores de corriente y temperatura se implementaban fuera del chip. Ahora, el sensor de corriente integrado permite la medición del amperaje de los transistores y protege contra cortocircuitos, ahorrando espacio en comparación con los sensores de corriente externos habituales. De la misma forma, el sensor de temperatura integrado mide de forma directa la temperatura del transistor de potencia, lo que permite mapear los puntos térmicamente críticos de forma considerablemente más rápida y precisa que los sensores externos.

La integración de la electrónica de potencia GaN con los sensores y el circuito de control ahorra espacio en la superficie del chip, reduciendo los gastos de montaje y mejorando la fiabilidad. La solución es ideal para las aplicaciones que disponen de un espacio limitado y requieren una gran cantidad de sistemas muy pequeños y eficientes, como es el caso de los vehículos eléctricos. Con unas dimensiones de tan solo 4 x 3 mm², el chip GaN es la base para el desarrollo de cargadores de a bordo más compactos.