Запуск QPT: чтобы добиться успеха с GaN, используйте методы проектирования радиочастот

Окончательная сборка, экран ЭМС частично поднят

Альтернативой является медленная работа до тех пор, пока преимущества GaN не исчезнут, или рисковать долговечностью, поскольку невидимые сверхбыстрые выбросы и провалы разрушают схемы драйвера или переключающий транзистор, сказал Electronics Weekly основатель и генеральный директор компании Роб Гвинн.

Он утверждает, что лучше всего использовать GaN, потому что он может уменьшить размер VFD (преобразователь частоты) для двигателя мощностью 10 л.с., например, с 20-литрового IGBT до менее литра для 2 МГц GaN. конструкция – достаточно маленькая, чтобы ее можно было интегрировать в двигатель.

Сосредоточившись на однофазных и трехфазных источниках питания с жестким переключением, QPT была настроена на создание модулей для источников питания на основе GaN, которые реализуют всю конструкцию ВЧ, что позволяет опытным разработчикам источников питания создавать высокопроизводительные источники питания на основе GaN. конструкции без специальных знаний в области ВЧ или СВЧ и без покупки измерительного оборудования, работающего в диапазоне ГГц. Это аналогично тому, как система ЦП на модулях используется для упрощения проектирования цифровых продуктов.

На основе множества патентов были разработаны три типа модулей: входной фильтр, модуль транзистор+драйвер (два в сборке полумоста слева) и выходной фильтр.

Прежде всего, модуль транзистор+драйвер представляет собой изолированную конструкцию, предназначенную для работы в сетях постоянного тока с напряжением до 540 В.

При переключении на частоте 2 МГц возникают чрезвычайно высокие синфазные переходные процессы на драйвере затвора верхнего плеча, особенно когда транзистор переключается за время 1–1,5 нс в конструкции QPT.

«Переключение 540 В за 1,5 нс пройдет через емкость большинства приводных трансформаторов и разрушит драйвер», — сказал Гвинн. «Наш запатентованный ВЧ-трансформатор имеет чрезвычайно низкую индуктивность рассеяния, неизмеримо низкую паразитную емкость между обмотками и без проблем выдерживает 600–700 В/нс».

Коммутационный модуль предназначен для использования либо на стороне высокого, либо на стороне низкого уровня полумоста, то есть шесть в трехфазном мосту.

Внутри находится силовой переключающий транзистор на 650 В от GaN Systems, а транзисторы предусилителя на GaN с частотой 3 ГГц — от EPC, при этом многие сигналы проходят по линиям передачи с согласованным импедансом.

Большая часть вспомогательных схем в модуле реализована в виде дискретных компонентов в этом модуле первого поколения — доказательство концепции, как описывает его Гвинн, — который имеет размеры ~ 30 x 30 x 25 мм. Gen2 уменьшит это до ~ 20x20x6 мм, когда asic, уже находящийся в конвейере, зачистит многие отдельные компоненты.

Задержка распространения от входа к выходу составляет 3 нс — быстрее, чем логика TTL, при переключении сотен вольт, «с дисперсией, измеряемой в пикосекундах», — сказал Гвинн, добавив, что мертвая зона, необходимая между верхними и нижними входами ШИМ, — это всего лишь несколько наносекунд.

Как упоминалось выше, это для блоков питания с жестким переключением — одно из первоначальных обещаний GaN заключается в том, что он может соответствовать высокой эффективности сложных кремниевых конструкций с мягким переключением на гораздо более высоких частотах — и, следовательно, в гораздо меньших корпусах, чем катушки индуктивности. и конденсаторы уменьшаются с увеличением частоты.

Однако с наносекундным жестким переключением возникает потенциально ужасная проблема ЭМС, поэтому QPT также предлагает специальные модули входных и выходных фильтров.

Взяв в качестве примера полумостовой выходной фильтр, Гвинн поставил перед собой цель контролировать все частоты, с которыми опытный разработчик кремниевых блоков питания не может справиться, используя обычные Ls и Cs, — от ГГц до примерно 10 МГц.

«Это очень причудливый фильтр микроволновой мощности», — сказал он. «Он очень особенный, и его было сложно спроектировать, но его стоимость в расчете на единицу продукции низка».

Затем разработчик блока питания создаст внешний LC-фильтр, который будет обрабатывать остальную часть ЭМС, передавая 50/60 Гц, необходимые двигателю (или несколько кГц на двигатель станка с ЧПУ) — фильтр, который будет физически мал по сравнению с один в обычном частотно-регулируемом приводе Гвинна на 25 кГц из-за основной частоты GaN VFD 2 МГц и более низкой стоимости, утверждает он.

Модули крепятся болтами к радиатору, а вспомогательные компоненты монтируются на печатной плате с другой стороны модулей (см. изображения). QPT создает специальные межсоединения, а также правила проектирования печатной платы и остальной части конструкции.

Локальный входной накопительный конденсатор, от которого поступают высокочастотные импульсы тока, входит в число вспомогательных компонентов на соединительной плате, к которой OEM-производитель добавит внешний низкочастотный накопительный конденсатор.

«Если они будут следовать нашим рекомендациям, они легко справятся с EMC без проблем с проводимостью и излучением», — заявила Гвинн.

GaN-транзисторы ненадежны?

Обещано многое, но GaN-транзисторы не используются ни в реальных автомобильных продуктах, ни в других конечных продуктах с высокой надежностью. Являются ли они по своей сути ненадежными?

По словам Гвинн, существует мнение, что они не так надежны, но это не основано на данных.

Технология несовершенна, без истории кремния или даже карбида кремния, продолжил он, поэтому недостаточно данных, чтобы прийти к твердому выводу.

Что-то, что может способствовать восприятию, — это сверхбыстрые всплески выброса и недорегулирования, не входящие в спецификацию устройства, которые легко генерируются, но их нелегко увидеть и, конечно же, нельзя точно измерить без правильных инструментов и правильной техники измерения.

QPT была основана в 2019 году, «после 10 лет разработки, — сказала Гвинн, — и имеет штаб-квартиру в Кембридже, Великобритания. У него есть R&D и производство в Португалии, а также производственное проектирование и лаборатория в Польше. Производственная линия была настроена на производство продукции Gen2 примерно до 100 000 единиц, после чего рассматриваются сборочные цеха.