Imec i EUROPRACTICE ogłaszają zwycięzców konkursu na projekt technologii GaN-IC 2021

Ein gewürfelter GaN-Wafer, ähnlich dem, was die Gewinner mit imec herstellen werden können. / A diced GaN wafer, similar to what winners will be able to produce with imec.

Imec, wiodące centrum badawczo-innowacyjne w dziedzinie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, oraz EUROPRACTICE ogłosiły dziś zwycięzców konkursu na projekt układów GaN-IC 2021. Celem konkursu jest wspieranie innowacji w elektronice mocy, które wykorzystują technologię azotku galu od Imec do monolitycznej integracji układów elektronicznych mocy. Nagrodzony projekt zatytułowany "High voltage half-bridge with integrated drivers and control circuits - all Gallium Nitride" został zgłoszony przez zespół badawczy z Katedry Układów Analogowych i Systemów RF na Uniwersytecie RWTH Aachen. Propozycje od ESAT-MICAS z KU Leuven oraz Leibniz Universität Hannover zajęły odpowiednio drugie i trzecie miejsce. Zwycięskie projekty zostaną wdrożone w prototypach w ramach nadchodzącej serii wieloprojektowych wafli GaN-IC 650V (MPW) od Imec, która rozpocznie się pod koniec października 2021 roku.

Monolityczna integracja układów GaN-IC otwiera pełny potencjał technologii GaN w elektronice mocy

Przemysł elektroniki mocy poszukuje nowych podejść do tworzenia wydajniejszych, mniejszych i szybszych komponentów, które zwiększą gęstość mocy urządzeń. W tym celu firmy mogą sięgać po technologię azotku galu (GaN), która produkuje elementy mocy o wyższej wytrzymałości na przebicie, szybszych prędkościach przełączania i mniejszym oporze przewodzenia. Innymi słowy: technologia GaN pozwala znacząco przewyższyć pod względem wydajności systemowej i efektywności, zajmowanego miejsca i kosztów pakowania układy mocy oparty na silikonie. Co więcej, działa ona również w wyższych temperaturach. To wzbudziło zainteresowanie wielu branż — od motoryzacji i elektroniki użytkowej po dostawców rozwiązań dla centrów danych.

Obecne układy mocy oparte na GaN już osiągnęły rekordowe częstotliwości pracy i sprawności w zasilaczach impulsowych (SMPS). Niemniej jednak nadal są dostępne głównie jako komponenty dyskretne, podczas gdy kluczem do pełnego wykorzystania potencjału tej technologii jest redukcja pasywnych indukcyjności. Imec odpowiedziało na to wyzwanie, rozwijając technologię GaN-on-SOI, która umożliwia monolityczną integrację logiki i układów analogowych z elementami mocy na tym samym chipie. W ten sposób można drastycznie zmniejszyć pasywne indukcyjności, co prowadzi do znacznie wyższej prędkości przełączania.

Niższe bariery wejścia dla technologii GaN-IC od Imec

Aby uczynić elementy i układy GaN-on-SOI bardziej dostępnymi i przystępnymi dla klientów, Imec oferuje rozwiązanie wieloprojektowych wafli (MPW) poprzez EUROPRACTICE. W modelu MPW koszty maskowania, procesowania i rozwoju dzielone są między kilku klientów, zazwyczaj realizując prototypowe serie 40 wzorcowych układów.

To właśnie rozwiązanie MPW wspierało niedawno konkurs na układy GaN-IC, zainicjowany przez Imec i EUROPRACTICE, skierowany do zespołów uniwersyteckich, które nigdy wcześniej nie tworzyły prototypów z technologią GaN-IC od Imec.

Zwycięskie projekty

Zespół z RWTH Aachen zaproponował układ oparty na wysokoprądowym wyjściu typu półmostek z wbudowanymi sterownikami i poziomym przesunięciem. Możliwe zastosowania to nieizolowane przetwornice obniżające napięcie wspierające elektronikę samochodową w niskonapięciowych systemach dla pojazdów konwencjonalnych lub hybrydowych, lub układy wysokiego napięcia dla pojazdów w pełni elektrycznych.

Chociaż rozwiązania wielokomponentowe, łączące układy GaN półmostków z wbudowanymi sterownikami i przesunięciami poziomów, są dostępne od ograniczonej liczby dostawców, nie istnieją jeszcze w pełni zintegrowane przetwornice GaN. Projekt zaproponowany przez zespół z Aachen wyróżnia się bardzo wysokim stopniem integracji wszystkich układów GaN, łącząc układy mocy i sterujące, eliminując konieczność zewnętrznych sterowników czy sterowników.

Projekt zespołu z KU Leuven obejmuje układ konwertera AC/DC o wysokiej wydajności, przeznaczony do masowych produktów, takich jak ładowarki i adaptery do urządzeń mobilnych, a także zintegrowane regulatory konwerterów mocy dla elektroniki samochodowej i rozrywkowej.

Ostatecznie projekt Uniwersytetu Hannover wykorzystuje wyższe częstotliwości przełączania technologii GaN, aby poprawić sprawność przetwornic offline dla urządzeń gospodarstwa domowego i oświetlenia o mocy do 200 W, które stanowią 60% zużycia energii w prywatnych domach w UE, pomagając tym samym w redukcji zużycia energii.