GaN-Design-Wettbewerb HV-Halbbrücke mit integrierten Treibern und Logik aus GaN

Dringend gesucht werden weiter miniaturisierte und schneller schaltende Leistungshalbleiter, um die Leistungsdichte der Systeme zu erhöhen. Ein GaN-Design-Wettbewerb zielte darauf ab, Innovationen der Leistungselektronik zu fördern. Es gibt drei Preisträger.

EUROPRACTICE ist ein Konsortium aus fünf renommierten europäischen Forschungsorganisationen (darunter Fraunhofer IIS), die akademische Einrichtungen und mittelständische Unternehmen mit IC-Prototyping-Dienstleistungen, Systemintegrationen, Schulungsaktivitäten und Möglichkeiten zur Kleinserienfertigung unterstützen. Zusammen mit dem Forschungszentrum für Nano- und Mikroelektronik imec (in Leuven, Belgien) richteten sie erstmals einen GaN-Design-Wettbewerb aus. Er wandte sich an Universitäten, die nie zuvor Prototypen mit der GaN-IC-Technologie von imec realisiert hatten.

Etabliert wurde EUROPRACTICE 1995 von der Europäischen Kommission als Nachfolge von EUROCHIP (1989 bis 1995), um die globale Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Industrie zu verbessern. Seit nun 25 Jahren bietet EUROPRACTICE eine Plattform zur Entwicklung intelligenter integrierter Systeme, die vom zeitgemäßen Prototyp-Design bis zur Serienproduktion reicht. Seit dieser Zeit ist imec enger Technologiepartner, der in der Nano- und Mikroelektronik forscht. Dass beide Partner nun universitäre Forschungsstätten zu einem Wettbewerb aufgerufen haben, liegt nahe.

Die Sieger-Einreichungen zum GaN-Design-Wettbewerb

Auf Platz 1 im Wettbewerb kam das Projekt „Hochvolt-Halbbrücke mit integrierten Treibern und Steuerschaltungen vollständig aus Galliumnitrid“. Diesen Siegerbeitrag eingereicht hat ein Forscher-Team des Lehrstuhls für integrierte Analogschaltungen und HF-Systeme der RWTH Aachen. Die Einreichung der ESAT-MICAS-Forschergruppe der Katholieke Universiteit Leuven und der Leibniz Universität Hannover belegten den zweiten und den dritten Platz. Diese drei Sieger-Entwürfe werden Ende Oktober 2021 in den kommenden 650-V-GaN-Devices der MPW (Multi-Project Wafer) von imec in Prototypen umgesetzt. Mehr dazu weiter unten.

Monolithische GaN-Integration

Die Leistungselektronikindustrie sucht nach neuen Ansätzen, um leistungsfähigere, kleinere und schnellere Komponenten zu entwickeln, die die Leistungsdichte der Geräte erhöhen. Zu diesem Zweck könnten die Unternehmen auf die Galliumnitrid-Technologie (GaN) zurückgreifen, die Leistungsbauelemente mit höherer Durchschlagfestigkeit, höheren Schaltgeschwindigkeiten und geringerem Durchlasswiderstand ermöglicht. Als Pendant zu Silizium schafft das WBG-Material GaN weitere Möglichkeiten in Bezug auf Systemleistung, Effizienz, Platzbedarf und Packaging-Kosten. Dies und die höhere Temperaturbeständigkeit hat das Interesse einer Vielzahl von Industriezweigen geweckt – von Automobil und Unterhaltungselektronik bis hin zu Rechenzentren.

Derzeitige GaN-basierte Leistungshalbleiter steigern Betriebsfrequenz und Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen (SMPS) beachtlich, quasi auf Rekordniveau. Dennoch: Die GaN-Devices gibt es hauptsächlich als diskrete Komponenten, während das volle GaN-Potenzial nur nutzbar ist, wenn beispielsweise die parasitären Induktivitäten minimiert werden. Aufgrund dieser Tatsache hat imec mit der Entwicklung seiner GaN-on-SOI-Technologie (gallium nitride on silicon) reagiert, die eine monolithische Integration von Logik- und Analogschaltungen sowie Leistungskomponenten auf ein und demselben Die vorsieht. Damit sei es möglich, parasitäre Induktivitäten drastisch zu reduzieren, wodurch deutlich höhere Schaltgeschwindigkeiten möglich werden.

Niedrigere Einstiegshürden für die GaN-IC-Technologie

Um GaN-on-SOI-Bauelemente und -Schaltungen für Anwender erschwinglicher und leichter verfügbar zu machen, stellt imec über EUROPRACTICE eine Multi-Project-Wafer-Lösung (MPW) bereit. Beim MPW-Modell werden die Kosten für Maske, Prozessierung und Entwicklung auf mehrere Anwender-Designs aufgeteilt, wodurch typischerweise Prototyping-Läufe von 40 Muster-Dies realisiert werden. Diese MPW-Lösung entspricht der des GaN-IC-Wettbewerbs.

Die Siegerprojekte des GaN-Design-Wettbewerbs

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 hybride Fahrzeuge 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 laut imec keine vollintegrierten GaN-Wandler. Das vom Aachener Team vorgeschlagene Design (erster Platz) zeichnet sich durch einen sehr hohen Integrationsgrad für alle GaN-ICs aus und integriert Leistungs- und Steuerschaltungen, wodurch externe Steuerungen oder Treiber überflüssig werden.

Das vom Team der Katholieke Universiteit Leuven vorgeschlagene Design (zweiter Platz) 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 (dritter Platz) nutzt die höheren Schaltfrequenzen der GaN-Technologie, um den Wirkungsgrad von Offline-Wandlern für Haushaltsgeräte und Beleuchtungen im Leistungsbereich von 200 W zu verbessern, der etwa 60% des Stromverbrauchs in Privathaushalten in der EU ausmache.

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