24 мая 2023 г.
Компания Quantum Power Transformation (QPT), основанная в 2020 году в Кембридже, Великобритания, утверждает, что является первой компанией, создавшей технологии, необходимые для того, чтобы GaN работал на частотах, значительно превышающих существующие ограничения в 100 кГц, вплоть до 20 МГц в мощных и высоковольтных сетях. приложения, использующие жесткое переключение, такие как системы привода двигателей для ОВКВ, робототехника и т. д. Эта технология открывает этот важный сегмент рынка GaN, для которого в настоящее время нет решений ни у кого другого, добавляет фирма.
В высоковольтных и мощных приложениях существует практический предел в 100 кГц для GaN, за пределами которого проблемы перегрева и радиопомех становятся слишком серьезными. Существующее решение состоит в том, чтобы снизить частоту GaN до уровня ниже 100 кГц, что означает, что производительность аналогична карбиду кремния, и нет никаких преимуществ от использования GaN, поскольку он не работает на высоких скоростях или частотах переключения, где он фактически обеспечивает экономию энергии.
«Инженеры-энергетики сосредоточены на том, чтобы быть экспертами в одной области, и разработали навыки и подходы к проектированию, которые работают при переключении 10–100 кГц, где работают кремниевые и карбидно-кремниевые транзисторы», — отмечает основатель и генеральный директор Роб Гвинн. «Я смог посмотреть на проблему как инженер по радиочастотам и создать решение, которое позволяет транзисторам GaN работать с полным потенциалом до 20 МГц с наносекундным переключением, чтобы обеспечить более высокую точность работы без проблем с радиочастотными помехами или перегревом и, таким образом, для с первого раза обеспечивают обещанную эффективность», — добавляет он.
QPT объединила свою технологию в два модуля, чтобы клиенты могли легко внедрить ее с минимальными усилиями и изменениями в существующих проектах. Модуль qGaN содержит GaN-транзистор на 650 В с фирменным приводом qDrive, который, как утверждается, является самым быстрым в мире, наиболее точным, с самым высоким разрешением и низким джиттером, изолированным приводом затвора GaN-транзистора. Второй модуль — qSensor, который сочетает в себе фирменные технологии ZEST и qSense, обеспечивая обнаружение и управление, которые впервые позволяют управлять GaN на сверхвысоких частотах.
Кроме того, QPT разработала свою систему сборки WisperGaN, которая включает в себя эталонный проект того, как модули и вспомогательная электроника могут быть собраны вместе в клетке Фарадея, чтобы не было проблем с нагревом или радиочастотами. Полученное решение раскрывает способность GaN теперь работать на сверхвысоких частотах и обеспечивает снижение энергопотребления до 80% по сравнению с существующими решениями, которые должны работать на гораздо более низких частотах.
Первый модуль qGaN (Q650V15A-M01) будет работать со среднеквадратичным током 15 А, управляя трехфазными двигателями 380 В. Дорожная карта будет включать модули qGaN для работы с различными силовыми нагрузками в соответствии с требованиями различных областей применения. Вместе с другими модулями технологии QPT готовые решения могут быть легко собраны в соответствии с эталонным проектом, говорят в компании. Эталонная конструкция является простой заменой силового каскада существующих частотно-регулируемых приводов (VFD) без необходимости в каких-либо специальных знаниях в области электромагнитной совместимости или теплового охлаждения.
«Остальная часть существующей системы, такая как микропроцессор и программный стек, остается прежней. Это делает модернизацию настоящим решением plug-and-play с преимуществами меньшего энергопотребления, поэтому оно эффективно окупается за несколько недель», — говорит Гвинн. «Кроме того, существует дополнительная экономия, поскольку новая спецификация (BOM) меньше, чем существующие решения, поскольку она не требует внешних фильтров», — добавляет он. «Компании, которые хотят модернизировать свои текущие кремниевые решения, чтобы повысить энергоэффективность, могут перепрыгнуть через трудности разработки решения SiC собственными силами и просто использовать наше открытое решение GaN. Сочетание энергосбережения частотно-регулируемого привода примерно на 80 % с использованием двигателя дает примерно 10-процентное снижение общего энергопотребления, что увеличивается в приложениях, где двигатель часто работает на низких скоростях, где текущие решения неэффективны».
По оценкам QPT, рынки высоковольтных и мощных приложений, где ее новая технология может обеспечить значительную экономию энергии, имеют общий адресный рынок (TAM) в размере 365 миллиардов долларов. Ключевым сегментом этого является HVAC и особенно тепловые насосы, которые экспоненциально развертываются по всему миру, поэтому TAM будет продолжать расти. «На электродвигатели приходится 45% мирового потребления электроэнергии, и наша технология может сделать их более эффективными, а это означает меньше выбросов углекислого газа, что помогает бороться с климатическими изменениями», — говорит Гвинн.
Преобразователи частоты
Ключевой областью применения является управляющая электроника для моторных приводов, где их высокий КПД может играть ключевую роль в экономии энергии. По оценкам исследователей рынка, ежегодно добавляется 11 миллиардов электродвигателей, что составляет 45% от общего потребления электроэнергии, поэтому более эффективное управление двигателем может обеспечить значительную глобальную экономию энергии и сокращение выбросов CO.2 поколение.
Преобразователи частоты работают, прерывая поступающую мощность, чтобы создать частоту, которую можно изменить, чтобы отрегулировать скорость двигателя. Энергия теряется каждый раз, когда происходит измельчение, и в настоящее время производители считают, что это минимально, поэтому их заявленный показатель эффективности составляет 97%. Тем не менее, эта цифра соответствует полной скорости, но на самом деле скорость меняется, и эффективность значительно падает при снижении скорости, что происходит в реальном рабочем цикле и тихо игнорируется производителями (аналогично производителям автомобилей, которые только цитируют расход топлива на оптимальной скорости и не говоря уже о реальных цифрах городского цикла).
Чтобы уменьшить потери энергии и, следовательно, быть более эффективным, измельчение должно быть быстрым, переход от выключенного к включенному или от включенного к выключенному как можно быстрее. Это связано с тем, что во время переключения, когда транзистор ни включен, ни выключен, он рассеивает огромное количество энергии, и это составляет большую часть потерь энергии.
Транзисторы GaN с технологией QPT теперь могут работать на частотах до 20 МГц, обеспечивая сверхбыстрое переключение за 1–2 нс, в отличие от 20–50 нс для GaN при ограничении частоты менее 100 кГц, чтобы избежать проблем с нагревом и электромагнитной совместимостью. Таким образом, они находятся в этой области с высокими потерями энергии в течение очень короткого времени и, следовательно, они тратят очень мало энергии на преобразование постоянного тока в переменный с переменной частотой, чтобы управлять двигателем во всем диапазоне различных скоростей.
QPT запускает модуль qGaNDrive
View full news on a site
