Forkningsinstitutet Imec och konsortiet Europractice har utsett vinnarna av deras 2021 års GaN-IC-designtävling. Vinnare blev ett forskningsteam från Aachen University medan bidrag som lämnats in av Esat-Micas från KU Leuven och Leibniz University Hannover kom tvåa respektive trea.
Tävlingen syftar till att uppmuntra innovation inom kraftelektronikapplikationer med imecs Gallium Nitride -teknik för monolitisk integration av kraftelektronikkretsar. Det prisbelönta projektet med titeln “High voltage half-bridge with integrated drivers and control circuits – all Gallium Nitride” lämnades in av ett team forskare från Chair of Integrated Analog Circuits and RF Systems of RWTH – Aachen University. De tre vinnande konstruktionerna kommer att utvecklas till prototyper i Imecs kommande 650V GaN-IC Multi-Project Wafer (MPW), som startar i slutet av oktober 2021.
Kraftelektronikindustrin letar efter nya metoder för att klara högre effekt och skapa mindre och snabbare komponenter som ökar kretsarnas effekttäthet. För att åstadkomma det kan företag använda sig av GaN-teknologinvoch skapa kraftenheter med högre breakdown-styrka, snabbare omkopplingshastigheter och lägre motstånd. Med andra ord: GaN-tekniken kan göra det möjligt att avsevärt överträffa kiselbaserade kraftchips när det gäller systemprestanda och effektivitet, fysiskt utrymme och kapslingsskostnader. Och det vid högre specifiserade temperaturer. Detta har förstås väckt ett allt större intresse från ett brett spektrum av industrisektorer – från fordons- och konsumentelektronikföretag till leverantörer av datacenterlösningar.
Dagens GaN-baserade effektchips har redan drivit på driftsfrekvenser och effektivitet hos Switch Mode Power Supplies (SMPS) till rekordnivåer. Ändå är de fortfarande främst tillgängliga som diskreta komponenter, medan nyckeln till att låsa upp teknikens fulla potential ligger i att minska de parasitiska induktanserna. Imec har enligt institutet svarat på denna utmaning genom utvecklingen av sin GaN-on-SOI-teknik, som gör det möjligt att monolitiskt integrera logiska och analoga kretsar med kraftkomponenter på samma bricka. På så sätt kan enligt Imec parasitiska induktanser drastiskt reduceras, vilket resulterar i en mycket förbättrad omkopplingshastighet.
För att göra GaN-on-SOI-enheter och kretsar mer överkomliga och lättillgängliga för sina kunder erbjuder Imec en Multi-Project Wafer-lösning (MPW) genom Europractice. I MPW -modellen delas mask-, bearbetnings- och konstruktionskostnader mellan flera kunddesigners, som vanligtvis kan leverera prototyper med 40 provbrickor. Det är samma MPW-lösning som stödde GaN-IC-tävlingen som nyligen lanserades av Imec och Europractice, med sikte på universitetsteam som aldrig tidigare hade prototypat i Imecs GaN-IC-teknik.
De vinnande projekten
Teamet från RWTH Aachen University föreslog en krets baserad på ett högspännings utgångssteg med halv brygga, med integrerade drivrutiner och en nivåskiftare. Potentiella applikationer inkluderar icke-isolerade buck-omvandlare som stöder fordonselektronik i lägre spänningssystem för konventionella eller hybridfordon, eller högspänningskretsar för helt elektriska fordon.
Även om multichip-lösningar. som kombinerar GaN halvbrygg-IC:er med integrerade drivrutiner och nivåskiftning, är tillgängliga från ett begränsat antal leverantörer, är dessa inte helt integrerade GaN-omvandlare. Designen som föreslagits av Aachen-teamet har en mycket hög integrationsnivå för alla GaN-ICs med integrerande kraft- och styrkretsar, vilket eliminerar behovet av externa styrenheter eller drivrutiner.
Designen som föreslås av KU Leuven-teamet har en all-GaN direkt AC/DC-effektomvandlar-IC avsedd för produkter med stora volymer, till exempel laddare och adaptrar för mobila enheter, samt integrerade effektomvandlarregulatorer för fordon och konsumentelektronik.
Slutligen drar designen från universitetet i Hannover nytta av GaN-teknikens högre switchfrekvenser för att förbättra effektiviteten i off-line-omvandlare för hushållsapparater och belysning i 200W-effektområdet, vilkea står för 60 procent av energiförbrukningen i bostäder inom EU, vilket därmad kan hjälpa till att för att minska energiförbrukningen.
Om Europractice
Europractice är ett konsortium av forskningsorganisationer som förser europeisk industri och akademi med en plattform för att utveckla elektroniska kretsar och system. I mer än 25 år har konsortiet erbjudit tillgång till prototyper och volymproduktionstjänster inom ett brett utbud av teknologier, inklusive ASIC, MEMS och Photonics. För framtida generationer av ingenjörer har Europractice tillhandahållit CAD -verktyg och ett brett utbildningserbjudande som skall säkerställa den växande digitala ekonomin i Europa. Konsortiet består av fem partner, nämligen imec (Belgien), UKRI-STFC (Storbritannien), Fraunhofer IIS (Tyskland), CMP (Frankrike) och Tyndall (Irland). Under årens lopp har Europractice fått stöd av EU-kommissionen, vilket möjliggjorde expansion till nya marknader och fortsatt service till mer än 600 akademiska institutioner och över 300 små och medelstora företag.
