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GaN-IC-Designwettbewerb des imec

Deutsche Hochschulen räumen ab

20. Oktober 2021, 8:37 Uhr | Ralf Higgelke

Ein Diced-GaN-Wafer, ähnlich dem, was die Gewinner mit imec herstellen werden können.

Um die GaN-Technologie in der Leistungselektronik zu fördern, haben das Forschungsinstitut imec und Forschungskonsortium Europractice einen Designwettbewerb veranstaltet. Zwei der drei Siegerentwürfe kommen aus Deutschland: von der RWTH Aachen und der Leibniz Universität Hannover.

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»High Voltage Half-Bridge with Integrated Drivers and Control Circuits - all Gallium Nitride« heißt der Sieger des GaN-IC-Designwettbewerbs, den das Forschungsinstitut imec und Forschungskonsortium Europractice veranstaltet haben. Diesen hatte ein Forscherteam des Lehrstuhls für Integrierte Analogschaltungen und HF-Systeme der RWTH Aachen eingereicht. Die Vorschläge von ESAT-MICAS von der KU Leuven und der Leibniz Universität Hannover belegten den zweiten respektive dritten Platz. Die siegreichen Entwürfe setzt das imec in dem kommenden Multi-Project-Wafer ab Oktober 2021 als 650-V-GaN-IC in Prototypen um.

Ziel des Wettbewerbs war es, Innovationen in der Leistungselektronik zu fördern, die die Galliumnitrid-Technologie des Imec für die monolithische Integration von Leistungselektronikschaltungen nutzen.

Monolithische Integration erschließt das volle Potenzial

Die heutigen GaN-basierten Leistungshalbleiter haben die Betriebsfrequenzen und Wirkungsgrade von Schaltnetzteilen bereits auf Rekordniveau gebracht. Dennoch sind sie immer noch hauptsächlich als diskrete Komponenten erhältlich, doch der Schlüssel, um das volle Potenzial dieser Technologie zu erschließen, liegt darin, die parasitären Induktivitäten zu reduzieren. Auf diese Herausforderung hat das imec mit der Entwicklung seiner GaN-on-SOI-Technologie reagiert, mit der sich Logik- und Analogschaltungen mit Leistungskomponenten auf demselben Chip monolithisch integrieren lassen. Auf diese Weise können die parasitären Induktivitäten drastisch reduziert werden, was zu einer deutlich verbesserten Schaltgeschwindigkeit führt.

Um Bauelemente und Schaltungen in GaN-on-SOI für seine Kunden erschwinglicher und leichter verfügbar zu machen, bietet imec über Europractice eine Multi-Project-Wafer-Lösung (MPW) an. Bei diesem Modell teilen sich die Kosten für Maske, Prozessierung und Entwicklung auf mehrere Kundendesigns auf, wobei typischerweise Prototyping-Läufe von 40 Muster-Dies realisiert werden.

Es ist die gleiche MPW-Lösung, die den GaN-IC-Wettbewerb unterstützt hat, der kürzlich von imec und Europractice ins Leben gerufen wurde und sich an Universitätsteams richtete, die noch nie zuvor Prototypen mit der GaN-IC-Technologie von imec hergestellt haben.

Die Siegerprojekte

Das Team der RWTH Aachen hat eine Schaltung vorgeschlagen, die auf einer Hochspannungs-Halbbrücken-Ausgangsstufe mit integrierten Treibern und einem Level-Shifter basiert. 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, gibt es keine voll integrierten GaN-Wandler. Das vom Aachener Team vorgeschlagene Design zeichnet sich durch einen sehr hohen Integrationsgrad für alle GaN-ICs aus und integriert Leistungs- und Steuerschaltungen, was externe Steuerungen oder Treiber überflüssig macht.

Das vom Team der KU Leuven vorgeschlagene Design umfasst einen direkten AC/DC-Leistungswandler-IC, der auf Großserienprodukte wie Ladegeräte und Adapter für mobile Geräte sowie integrierte Leistungswandler-Regler für die Automobil- und Unterhaltungselektronik abzielt.

Der Entwurf der Universität Hannover schließlich nutzt die höheren Schaltfrequenzen der GaN-Technologie, um den Wirkungsgrad von Offline-Wandlern für Haushaltsgeräte und Beleuchtung im Leistungsbereich von 200 W zu verbessern, der 60 Prozent der Stromaufnahme in Privathaushalten in der EU ausmacht, und hilft so, den Stromverbrauch zu senken.