De wedstrijd heeft tot doel innovatie in toepassingen voor vermogenselektronica aan te moedigen met behulp van imec's GaN technologie voor monolithische integratie van vermogenselektronicacircuits.
Het prijswinnende project “High spanning halve brug met geïntegreerde drivers en regelcircuits – allemaal Gallium Nitride” werd ingediend door een team van onderzoekers van de leerstoel Integrated Analog Circuits and RF Systems van RWTH – Universiteit van Aken.
Voorstellen ingediend door ESAT-MICAS van de KU Leuven en Leibniz University Hannover werden respectievelijk tweede en derde. De winnende ontwerpen zullen worden geprototypeerd in imec's aankomende 650V GaN-IC Multi-Project Wafer (MPW) run, start eind oktober
De vermogenselektronica-industrie is op zoek naar nieuwe benaderingen om componenten met een hoger vermogen, kleinere en snellere componenten te creëren die de vermogensdichtheid van apparaten verhogen.
Om dit te doen, zouden bedrijven hun toevlucht kunnen nemen tot het gebruik van GaN-technologie, wat zorgt voor stroomapparaten met een hogere doorslagsterkte, hogere schakelsnelheden en een lagere aan-weerstand.
Met andere woorden: GaN-technologie maakt het mogelijk om aanzienlijk beter te presteren dan op silicium gebaseerde stroomchips in termen van systeemprestaties en efficiëntie, fysieke ruimtespecificaties en verpakkingskosten. En het werkt bij hogere temperaturen.
Dit heeft de interesse gewekt van een breed scala aan industriële sectoren - van auto- en consumentenelektronicabedrijven tot leveranciers van datacenteroplossingen.
De huidige op GaN gebaseerde stroomchips hebben de werkfrequenties en efficiëntie van Switch Mode Power Supplies (SMPS) al naar recordniveaus geduwd.
Toch zijn ze nog steeds voornamelijk beschikbaar als discrete componenten, terwijl de sleutel tot het ontsluiten van het volledige potentieel van de technologie ligt in het verminderen van de parasitaire inductanties.
Imec heeft op deze uitdaging gereageerd door de ontwikkeling van zijn GaN-on-SOI-technologie, die het mogelijk maakt om logische en analoge circuits monolithisch te integreren met vermogenscomponenten op dezelfde chip. Als zodanig kunnen parasitaire inductanties drastisch worden verminderd, wat resulteert in een sterk verbeterde schakelsnelheid.
Om GaN-on-SOI-apparaten en -circuits betaalbaarder en gemakkelijker beschikbaar te maken voor zijn klanten, biedt imec via Europractice een Multi-Project Wafer (MPW)-oplossing aan.
In het MPW-model worden masker-, verwerkings- en engineeringkosten gedeeld over meerdere klantontwerpen, wat doorgaans leidt tot prototypingruns van 40 monstermatrijzen.
Het is dezelfde MPW-oplossing die de GaN-IC-wedstrijd ondersteunde die onlangs werd gelanceerd door imec en EUROPRACTICE, gericht op universiteitsteams die nog nooit eerder een prototype hadden gemaakt in imec's GaN-IC-technologie.
Het team van de RWTH Aachen University stelde een circuit gebaseerd op een hoogspanningshalfbrug-uitgangstrap, met geïntegreerde drivers en een level-shifter.
Mogelijke toepassingen zijn onder meer niet-geïsoleerde buck-converters die auto-elektronica ondersteunen in systemen met een lagere spanning voor conventionele of hybride voertuigen, of hoogspanningscircuits voor volledig elektrische voertuigen.
Hoewel multichip-oplossingen die GaN-halfbrug-IC's combineren met geïntegreerde drivers en level-shifting verkrijgbaar zijn bij een beperkt aantal leveranciers, zijn volledig geïntegreerde GaN-converters dat niet.
Het door het team van Aken voorgestelde ontwerp biedt een zeer hoog niveau van integratie voor alle GaN-IC's, waarbij stroom- en besturingscircuits zijn geïntegreerd, waardoor er geen externe controllers of drivers nodig zijn.
Het ontwerp voorgesteld door het KU Leuven-team is voorzien van een volledig GaN directe AC/DC-stroom omvormer IC, dat zich richt op producten met een groot volume, zoals opladers en adapters voor mobiele apparaten, evenals geïntegreerde regelaars voor stroomomzetters voor auto's en consumentenelektronica.
Ten slotte maakt het ontwerp van de Universiteit van Hannover gebruik van de hogere schakelfrequenties van de GaN-technologie om de efficiëntie te verbeteren in offline-converters voor huishoudelijke apparaten en verlichting in het 200W-vermogensbereik, dat goed is voor 60% van het elektriciteitsverbruik in woningen in de EU, wat helpt om het stroomverbruik te verminderen.