兆赫開關(guān)頻率提升 GaN 性能

出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2023-07-13 15:53:15

氮化鎵 (GaN) 因其比傳統(tǒng)硅基器件更高的電子遷移率而具有出色的高頻開關(guān)能力。GaN 晶體管對于電力電子器件至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊诟唛_關(guān)頻率下工作，從而實(shí)現(xiàn)更小的磁性元件和更高的功率效率。
在低壓設(shè)計(jì)中，GaN 功率晶體管通常以大約 100KHz 至幾 MHz 的開關(guān)頻率使用。在高壓應(yīng)用中，除了復(fù)雜的諧振設(shè)計(jì)之外，由于熱管理和射頻發(fā)射帶來的困難，導(dǎo)致常常難以克服的 EMC 挑戰(zhàn)，因此在 100KHz 以上使用 GaN 功率器件的例子非常少。
然而，可以肯定的是，緩慢的轉(zhuǎn)變會浪費(fèi)能源。在晶體管既不導(dǎo)通也不截止的時(shí)間內(nèi)，它會消耗功率，從而導(dǎo)致能量損失和熱問題。隨著開關(guān)速度的增加，轉(zhuǎn)換過程中消耗的時(shí)間更少，能量損失也更少。GaN 晶體管可以在 1-2ns 內(nèi)從開到關(guān)轉(zhuǎn)變，而 Si 和 SiC 晶體管需要 20-50ns。
本文將介紹 QPT 公司開發(fā)的技術(shù)，該技術(shù)旨在以高達(dá) 20 MHz 的頻率運(yùn)行 GaN 功率晶體管，該頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)今技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的頻率。
QPT總部位于英國劍橋，是家開發(fā)使 GaN 在超過 100 kHz 的高功率頻率下工作所需技術(shù)的公司。這些高壓應(yīng)用需要硬開關(guān)，例如用于 HVAC、自動化等的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。QPT 的一系列技術(shù)使 GaN 首次能夠在高達(dá) 20 MHz 的頻率下運(yùn)行，而不會出現(xiàn)過熱或 RF 干擾的情況，從而為 GaN 創(chuàng)造了廣闊的新應(yīng)用領(lǐng)域。

據(jù) QPT 稱，在當(dāng)今的高電壓、高功率應(yīng)用中，GaN 的實(shí)際頻率上限約為 100 kHz，超過該頻率就會出現(xiàn)過熱和 RF 干擾問題。目前的解決方案是將 GaN 抑制到 100kHz 以下，這意味著其性能與碳化硅相當(dāng)。使用 GaN 沒有任何優(yōu)勢，因?yàn)樗荒茉诟唛_關(guān)速度或頻率下運(yùn)行，而實(shí)際上它可以節(jié)省功耗。

“許多人已經(jīng)在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的低壓 GaN 上進(jìn)行研究，甚至在諧振系統(tǒng)的高壓應(yīng)用中進(jìn)行研究。我們有數(shù)十億臺電機(jī)由基于 IGBT、硅或 SiC 功率開關(guān)的 VFD 逆變器驅(qū)動，但效率低下。GaN 有可能取代這些開關(guān)，從而減少 80% 的電力浪費(fèi)”，QPT 創(chuàng)始人兼執(zhí)行官 Rob Gwynne 說道。

QPT 技術(shù)分為兩個(gè)模塊，以便用戶可以快速啟動并運(yùn)行它，并且只需對其當(dāng)前設(shè)置進(jìn)行少量修改：
qGaN：該模塊包括一個(gè) 650V GaN 晶體管和專有的 qDrive?，這是一種快速、準(zhǔn)確的隔離式 GaN 柵極驅(qū)動器，具有高分辨率和低延遲。

qSensor：它提供傳感和控制，使 GaN 能夠以非常高的頻率驅(qū)動。

圖 1 顯示了 QPT 控制的 GaN 與 GaN 和 SiC 商業(yè)器件的比較。正如我們所看到的，QPT 的 GaN 的損耗保持在較低水平，并且在整個(gè) 100kHz – 2MHz 頻率范圍內(nèi)幾乎保持恒定。即使在較低開關(guān)頻率下，商用 SiC 器件的損耗也較高，而在較高頻率下，SiC 和 GaN 現(xiàn)有解決方案都會因熱管理限制而增加損耗。
兆赫開關(guān)頻率提升 GaN 性能
圖1 SiC、GaN和QPT控制的GaN的比較（源QPT）
此外，QPT 還開發(fā)了 WisperGaN 構(gòu)建系統(tǒng)（圖 2），其中包括一個(gè)參考設(shè)計(jì)，用于說明如何將模塊和輔助電子器件組裝在法拉第籠中，以防止發(fā)熱和射頻干擾。由此產(chǎn)生的解決方案使 GaN 能夠在超高頻下工作，并且與必須在低得多的頻率下工作的現(xiàn)有解決方案相比，功耗降低了 80%。

兆赫開關(guān)頻率提升 GaN 性能

圖 2 QPT 使用其模塊（前臺有 qGaN 模塊）的 VFD 參考設(shè)計(jì)（來源 QPT）
個(gè) qGaN 模塊 (Q650V15A-M01) 可處理 15A RMS 電流，同時(shí)驅(qū)動 380V 三相電機(jī)。該路線圖將包括能夠處理不同功率需求的 qGaN 模塊，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的需求。
“我們需要三四年的時(shí)間才能進(jìn)入市場。但我們必須現(xiàn)在就開始——越早開始，我們就能越早有所收獲。隨著我們不斷前進(jìn)，我們沒有任何物理原因不能擁有 1,200V GaN”，Gwynne 說道。
與其他 QPT 技術(shù)模塊相結(jié)合，可以根據(jù)圖 2 所示的參考設(shè)計(jì)輕松組裝全面的解決方案。該參考設(shè)計(jì)是現(xiàn)有 VFD 功率級的直接替代品，無需 EMC 或熱冷卻知識。
“目前，必須使用多電平拓?fù)鋪碓O(shè)計(jì)高壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橹挥?650V 額定電壓的 GaN 器件。我們已經(jīng)開始與對電動汽車市場感興趣并擁有利益相關(guān)者的公司合作。我們相信四五年內(nèi)我們的技術(shù)將會成熟，使我們能夠提供 1,000-1,200V 的設(shè)備”，Gwynne 說道。
其中個(gè)是 GaN Systems Inc.，該公司剛剛與 QPT 簽署了一份諒解備忘錄，以研究開發(fā)其技術(shù)的可能性，從而提高性能并進(jìn)一步改進(jìn)，從而提高電動汽車的行駛里程。Gwynne 解釋說：“GaN Systems 生產(chǎn)性能的 650V 功率 GaN 器件，這使我們能夠在與我們的技術(shù)相結(jié)合時(shí)實(shí)現(xiàn)效率。電力使用效率越高，電動汽車的續(xù)航里程就越遠(yuǎn)?！?/span>
GaN Systems Inc 執(zhí)行官 Jim Witham 補(bǔ)充道：“QPT 開發(fā)的技術(shù)給我們留下了深刻的印象。他們實(shí)現(xiàn)了性能的功能改進(jìn)，為電動汽車市場提供了高度優(yōu)化的 GaN 解決方案。通過合作，GaN Systems 的晶體管和 QPT 技術(shù)可以極大地改變 GaN 市場?！?/span>
變頻驅(qū)動器 (VFD)
VFD是電機(jī)驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)，高效率在節(jié)能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。VFD 的工作原理是將輸入功率斬波為可改變的頻率以控制電機(jī)速度。制造商目前認(rèn)為切割過程中的能量損失可以忽略不計(jì)。然而，這種情況僅在速度下發(fā)生，而效率隨著速度降低而大幅降低，這就是現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)行循環(huán)中的情況。
這種行為如圖 3 所示，其中典型的 VFD 效率急劇下降，并且隨著電機(jī)速度降低而浪費(fèi)能量。QPT GaN 不會發(fā)生這種情況，它保持高效率。QPT 的 GaN 效率幾乎沒有變化，在實(shí)際操作條件下節(jié)省了大量功率。
“我們的技術(shù)是 VFD。我們有晶體管來制作半橋。輸入、輸出和 RF 濾波器均包含在參考設(shè)計(jì)中，可直接替代基于 IGBT 或 MOSFET 的 VFD 功率級”，Gwynne 說道。
兆赫開關(guān)頻率提升 GaN 性能
圖 3：VFD 效率與電機(jī)速度（來源 QPT）
此外，QPT的解決方案與PWM信號兼容，并且由于沒有輻射發(fā)射，因此不受EMC、封裝和散熱問題的影響。

關(guān)鍵詞：開關(guān)

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