Ziel des Wettbewerbs ist es, Innovationen bei Leistungselektronikanwendungen unter Verwendung von imecs GaN zu fördern Technologie zur monolithischen Integration leistungselektronischer Schaltungen.
Das preisgekrönte Projekt „High Spannung Halbbrücke mit integrierten Treibern und Steuerschaltungen – alle Galliumnitrid“ wurde von einem Forscherteam des Lehrstuhls für Integrierte Analogschaltungen und HF-Systeme der RWTH Aachen eingereicht.
An zweiter und dritter Stelle standen Vorschläge von ESAT-MICAS der KU Leuven und der Leibniz Universität Hannover. Die Gewinnerdesigns werden in imecs kommenden 650V GaN-IC Multi-Project Wafer (MPW)-Lauf, ab Ende Oktober
Die Leistungselektronikindustrie sucht nach neuen Ansätzen, um kleinere und schnellere Komponenten mit höherer Leistung zu entwickeln, die die Leistungsdichte der Geräte erhöhen.
Um dies zu erreichen, könnten Unternehmen auf die GaN-Technologie zurückgreifen, die Leistungsbauelemente mit einer höheren Durchschlagfestigkeit, schnelleren Schaltgeschwindigkeiten und einem niedrigeren Einschaltwiderstand ermöglicht.
Mit anderen Worten: Die GaN-Technologie ermöglicht es, siliziumbasierte Leistungschips in Bezug auf Systemleistung und Effizienz, Platzbedarf und Gehäusekosten deutlich zu übertreffen. Und es funktioniert bei höheren Temperaturen.
Dies hat das Interesse verschiedenster Branchen geweckt – von Automobil- und Unterhaltungselektronikunternehmen bis hin zu Anbietern von Rechenzentrumslösungen.
Die heutigen GaN-basierten Leistungschips haben die Betriebsfrequenzen und die Effizienz von Schaltnetzteilen (SMPS) bereits auf Rekordniveaus gehoben.
Dennoch sind sie hauptsächlich als diskrete Bauelemente erhältlich, während der Schlüssel zur Erschließung des vollen Potenzials der Technologie in der Reduzierung der parasitären Induktivitäten liegt.
Imec hat auf diese Herausforderung mit der Entwicklung seiner GaN-on-SOI-Technologie reagiert, die es ermöglicht, logische und analoge Schaltungen mit Leistungskomponenten monolithisch auf demselben Chip zu integrieren. Dadurch können parasitäre Induktivitäten drastisch reduziert werden, was zu einer stark verbesserten Schaltgeschwindigkeit führt.
Um GaN-on-SOI-Geräte und -Schaltungen für seine Kunden erschwinglicher und leichter verfügbar zu machen, bietet imec über Europractice eine Multi-Project Wafer (MPW)-Lösung an.
Beim MPW-Modell werden Masken-, Verarbeitungs- und Konstruktionskosten auf mehrere Kundendesigns verteilt, wobei typischerweise Prototypenläufe von 40 Musterwerkzeugen bereitgestellt werden.
Es ist dieselbe MPW-Lösung, die den GaN-IC-Wettbewerb unterstützte, der kürzlich von imec und EUROPRACTICE gestartet wurde und sich an Universitätsteams richtet, die noch nie zuvor mit der GaN-IC-Technologie von imec gearbeitet haben.
Das Team der RWTH Aachen hat vorgeschlagen, a Schaltung basierend auf einer Hochvolt-Halbbrücken-Ausgangsstufe mit integrierten Treibern und einem Level-Shifter.
Mögliche Anwendungen sind nicht isolierte Abwärtswandler zur Unterstützung der Automobilelektronik in Niederspannungssystemen für konventionelle oder Hybridfahrzeuge oder Hochspannungsschaltungen für vollelektrische Fahrzeuge.
Obwohl Multichip-Lösungen, die GaN-Halbbrücken-ICs mit integrierten Treibern und Pegelverschiebung kombinieren, von einer begrenzten Anzahl von Anbietern erhältlich sind, sind vollintegrierte GaN-Wandler dies nicht.
Das vom Aachener Team vorgeschlagene Design zeichnet sich durch einen sehr hohen Integrationsgrad für alle GaN-ICs aus und integriert Leistungs- und Steuerschaltungen, wodurch externe Controller oder Treiber überflüssig werden.
Das vom KU Leuven-Team vorgeschlagene Design verfügt über eine direkte All-GaN-AC/DC-Stromversorgung Konverter IC, die auf großvolumige Produkte wie Ladegeräte und Adapter für mobile Geräte sowie integrierte Stromrichterregler für die Automobil- und Unterhaltungselektronik abzielen.
Schließlich nutzt das Design der Universität Hannover die höheren Schaltfrequenzen der GaN-Technologie, um die Effizienz von Offline-Wandlern für Haushaltsgeräte und Beleuchtung im 200-W-Leistungsbereich zu verbessern, der 60 % des EU-Haushaltsstromverbrauchs ausmacht um den Stromverbrauch zu reduzieren.