Imec e EUROPRACTICE annunciano i vincitori del concorso di progettazione di tecnologie GaN-IC 2021

Un wafer di GaN tagliato a cubetti, simile a quello che i vincitori potranno produrre con imec.

Imec, il centro di ricerca e innovazione leader nel campo della nanoelettronica e delle tecnologie digitali, e EUROPRACTICE hanno annunciato oggi i vincitori del concorso di progettazione GaN-IC 2021. L'obiettivo del concorso è promuovere innovazioni nell'elettronica di potenza che sfruttano la tecnologia del nitruro di gallio di Imec per l'integrazione monolitica di circuiti di elettronica di potenza. Il progetto premiato, intitolato "High voltage half-bridge with integrated drivers and control circuits - all Gallium Nitride", è stato presentato da un team di ricercatori del Dipartimento di Circuiti Analogici Integrati e Sistemi RF dell'Università RWTH di Aquisgrana. Le proposte di ESAT-MICAS dell'Università KU Leuven e dell'Università Leibniz di Hannover si sono classificate rispettivamente al secondo e al terzo posto. I progetti vincitori saranno realizzati in prototipi nella prossima serie di wafer multi-progetto GaN-IC da 650V di imec, che partirà alla fine di ottobre 2021.

L'integrazione monolitica di GaN-ICs sblocca il pieno potenziale dell'elettronica di potenza in GaN

L'industria dell'elettronica di potenza cerca nuovi approcci per sviluppare componenti più performanti, più piccoli e più veloci, che aumentino la densità di potenza dei dispositivi. A tal fine, le aziende potrebbero ricorrere alla tecnologia del nitruro di gallio (GaN), che produce dispositivi di commutazione con maggiore resistenza alla scarica, velocità di commutazione più elevate e minore resistività di conduzione. In altre parole: la tecnologia GaN permette di superare significativamente le prestazioni e l'efficienza dei chip di potenza a base di silicio, riducendo anche lo spazio e i costi di packaging. E funziona anche a temperature più elevate. Questo ha suscitato l'interesse di numerosi settori industriali, dalle aziende automobilistiche e di elettronica di consumo ai fornitori di soluzioni per data center.

I chip di potenza a base di GaN odierni hanno già portato le frequenze operative e i rendimenti delle alimentazioni switching (SMPS) a livelli record. Tuttavia, sono ancora principalmente disponibili come componenti discreti, mentre la chiave per sbloccare il pieno potenziale della tecnologia risiede nella riduzione delle induttanze parassite. Imec ha risposto a questa sfida sviluppando la sua tecnologia GaN-on-SOI, che consente l'integrazione monolitica di logica e circuiti analogici con componenti di potenza sullo stesso chip. In questo modo, le induttanze parassite possono essere drasticamente ridotte, portando a una velocità di commutazione notevolmente migliorata.

Barriere di ingresso più basse per la tecnologia GaN-IC di imec

Per rendere i dispositivi e i circuiti GaN-on-SOI più accessibili e facilmente disponibili ai propri clienti, imec offre tramite EUROPRACTICE una soluzione di wafer multi-progetto (MPW). Nel modello MPW, i costi di mascheratura, lavorazione e sviluppo vengono suddivisi tra più progetti di clienti, realizzando tipicamente run di prototipazione di 40 die di campione.

È la stessa soluzione MPW che ha supportato il concorso GaN-IC, recentemente avviato da imec e EUROPRACTICE, rivolto a team universitari che non avevano mai prodotto prototipi con la tecnologia GaN-IC di imec.

I progetti vincitori

Il team dell'RWTH di Aquisgrana ha proposto un circuito basato su uno stadio di uscita a mezzonda ad alta tensione con driver integrati e un level-shifter. Le applicazioni possibili includono convertitori buck non isolati per supportare l'elettronica automobilistica in sistemi a bassa tensione per veicoli convenzionali o ibridi, o circuiti ad alta tensione per veicoli completamente elettrici.

Sebbene soluzioni multichip che combinano IC a mezzonda GaN con driver integrati e shift di livello siano disponibili da un numero limitato di fornitori, non esistono ancora convertitori GaN completamente integrati. Il progetto proposto dal team di Aquisgrana si distingue per un livello di integrazione molto elevato di tutti gli IC GaN, integrando circuiti di potenza e di controllo, eliminando la necessità di controlli o driver esterni.

Il progetto proposto dal team dell'Università KU Leuven include un IC di conversione di potenza AC/DC diretto, destinato a prodotti di serie come caricabatterie e adattatori per dispositivi mobili, nonché regolatori di convertitori di potenza integrati per l'elettronica automobilistica e di consumo.

Infine, il progetto dell'Università di Hannover sfrutta le frequenze di commutazione più elevate della tecnologia GaN per migliorare il rendimento di convertitori offline per elettrodomestici e illuminazione, con una potenza di circa 200 W, che rappresentano il 60% del consumo energetico domestico nell'UE, contribuendo così a ridurre il consumo di energia.