Imec en EUROPRACTICE kondigen de winnaars aan van de GaN-IC-technologie-ontwerpwedstrijd 2021

Een gesneden GaN-wafer, vergelijkbaar met wat de winnaars met imec zullen kunnen produceren.

Imec, het toonaangevende onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, en EUROPRACTICE hebben vandaag de winnaars van de GaN-IC-Designwedstrijd 2021 bekendgemaakt. Het doel van de wedstrijd is het stimuleren van innovaties in de vermogenselektronica die gebruik maken van Imec's Gallium Nitride-technologie voor de monolithische integratie van vermogenschakelingen. Het bekroonde project met de titel "High voltage half-bridge with integrated drivers and control circuits - all Gallium Nitride" werd ingediend door een onderzoeksteam van het vakgebied voor Geïntegreerde Analoge Circuits en RF-systemen van de RWTH Aachen University. De voorstellen van ESAT-MICAS van de KU Leuven en de Leibniz Universiteit Hannover behaalden respectievelijk de tweede en derde plaats. De winnende ontwerpen worden in de komende 650V GaN-IC Multi-Project Wafer (MPW) serie van imec gerealiseerd in prototypes, die eind oktober 2021 van start gaat.

Monolithische integratie van GaN-ICs ontgrendelt het volledige potentieel van GaN-vermogenselektronica

De industrie voor vermogenselektronica zoekt naar nieuwe benaderingen om krachtigere, kleinere en snellere componenten te ontwikkelen die de vermogensdichtheid van apparaten verhogen. Hiervoor kunnen bedrijven terugvallen op Gallium Nitride (GaN) technologie, die vermogenselementen met hogere doorbraakspanning, snellere schakelsnelheden en lagere doorlaatweerstanden produceert. Met andere woorden: GaN-technologie maakt het mogelijk om vermogenschips op siliciumbasis aanzienlijk te overtreffen op het gebied van systeemprestaties en efficiëntie, ruimtebesparing en verpakkingskosten. En het werkt ook bij hogere temperaturen. Dit heeft de interesse gewekt van diverse industrieën - van automobiel- en consumentenelektronica tot datacenteroplossingen.

De huidige GaN-gebaseerde vermogenschips hebben de bedrijfssnelheden en rendementen van switch-mode power supplies (SMPS) al op recordniveau gebracht. Toch zijn ze nog steeds vooral verkrijgbaar als discrete componenten, terwijl de sleutel tot het ontsluiten van het volledige potentieel van de technologie ligt in het verminderen van parasitaire inducties. Imec heeft op deze uitdaging gereageerd met de ontwikkeling van zijn GaN-on-SOI-technologie, die een monolithische integratie van logische en analoge schakelingen met vermogenselementen op dezelfde chip mogelijk maakt. Op deze manier kunnen parasitaire inducties drastisch worden verminderd, wat leidt tot een aanzienlijk verbeterde schakelsnelheid.

Lagere instapdrempels voor de GaN-IC-technologie van imec

Om GaN-on-SOI-componenten en -schakelingen voor haar klanten betaalbaarder en gemakkelijker beschikbaar te maken, biedt imec via EUROPRACTICE een Multi-Project Wafer (MPW) oplossing aan. Bij het MPW-model worden de kosten voor maskers, verwerking en ontwikkeling verdeeld over meerdere klantontwerpen, waarbij doorgaans prototypingsessies van 40 monsters worden gerealiseerd.

Het is dezelfde MPW-oplossing die de GaN-IC-wedstrijd heeft ondersteund, die recentelijk door imec en EUROPRACTICE is opgezet en zich richtte op universiteitsteams die nog nooit eerder prototypes met de GaN-IC-technologie van imec hadden gemaakt.

De winnende projecten

Het team van de RWTH Aachen heeft een schakeling voorgesteld die gebaseerd is op een hoogspannings-halfbrug uitgangsstadium met geïntegreerde drivers en een level-shifter. Mogelijke toepassingen zijn niet-geïsoleerde buck-converters ter ondersteuning van automobiel-elektronica in laagspanningssystemen voor conventionele of hybride voertuigen, of hoogspanningsschakelingen voor volledig elektrische voertuigen.

Hoewel multichip-oplossingen die GaN-halfbrug-ICs met geïntegreerde drivers en level-shifting combineren, beperkt beschikbaar zijn, bestaan er geen volledig geïntegreerde GaN-omzetters. Het door het team uit Aachen voorgestelde ontwerp kenmerkt zich door een zeer hoge integratiegraad voor alle GaN-ICs en integreert vermogens- en stuurschakelingen, waardoor externe besturingen of drivers overbodig worden.

Het ontwerp van het team van KU Leuven omvat een directe AC/DC-vermogenomzetter-IC, dat gericht is op massaproducten zoals laders en adapters voor mobiele apparaten, evenals geïntegreerde vermogensomzetter-regelaars voor automobiel- en entertainment-elektronica.

Het ontwerp van de Universiteit Hannover maakt gebruik van de hogere schakelfrequenties van GaN-technologie om de efficiëntie van offline-omzetters voor huishoudelijke apparaten en verlichting te verbeteren, binnen een vermogensbereik van 200 W, dat 60% van het energieverbruik in huishoudens in de EU uitmaakt, en zo bij te dragen aan het verminderen van het energieverbruik.