Assemblaggio finale, EMC allo parzialmente sollevato
L'alternativa è rallentare il funzionamento fino a quando i vantaggi del GaN non svaniscono, o rischiare la durabilità poiché l'overshoot e il undershoot ultrarapidi invisibili distruggono i circuiti del driver o la commutazione Transistor, ha detto a Electronics Weekly il fondatore e CEO dell'azienda Rob Gwynne.
Sostiene che vale la pena ottenere il meglio dal GaN, perché può ridurre le dimensioni di un VFD (azionamento a frequenza variabile) per un motore da 10 CV, ad esempio, da un motore da 20 litri IGBT design a meno di un litro per un design GaN da 2 MHz, abbastanza piccolo da essere integrato nel motore.
Concentrandosi su monofase e Trifase alimentazione di rete a commutazione forzata, QPT è stato creato per realizzare moduli per alimentatori basati su GaN che implementano tutto il progetto RF, consentendo ai progettisti di alimentatori esperti di realizzare progetti basati su GaN ad alte prestazioni senza competenze RF o microonde e senza acquisto di strumentazione GHz. Questo è analogo al modo in cui i system-on-modules della CPU vengono utilizzati per facilitare la progettazione di prodotti digitali.
Prendendo per primo il modulo transistor+driver, si tratta di un design isolato destinato a funzionare su collegamenti CC fino a 540 V.
Con la commutazione a 2 MHz si ottengono transienti di modo comune straordinariamente elevati sul gate driver high-side, in particolare quando il transistor commuta in 1 – 1.5 ns nel design del QPT.
"La commutazione a 540 V in 1.5 ns passerà attraverso la capacità della maggior parte dei trasformatori di azionamento e distruggerà il driver", ha affermato Gwynne. "Il nostro trasformatore RF, che abbiamo brevettato, ha un'induttanza di dispersione estremamente bassa, una capacità parassita incommensurabilmente bassa tra gli avvolgimenti e può tollerare 600-700 V/ns, nessun problema."
Il modulo di commutazione è progettato per essere utilizzato nella parte alta o bassa di un semiponte, quindi sei in un ponte trifase.
All'interno, il transistor di commutazione dell'alimentazione da 650 V è di GaN Systems e i transistor pre-driver GaN da 3 GHz sono di EPC, con molti segnali che viaggiano su linee di trasmissione con corrispondenza di impedenza.
Gran parte della circuiteria di supporto nel modulo è implementata in componenti discreti in questo modulo di prima generazione - il proof of concept come lo descrive Gwynne - che misura ~ 30 x 30 x 25 mm. Gen2 lo ridurrà a ~20x20x6mm quando un asic, già in cantiere, pulirà molti dei componenti separati.
Il ritardo di propagazione dall'ingresso all'uscita è di ben 3 ns, più veloce della logica TTL, mentre si commutano centinaia di volt, "con dispersione misurata in picosecondi", ha affermato Gwynne, che ha aggiunto che la banda morta necessaria tra gli ingressi PWM superiore e inferiore è solo un pochi nanosecondi.
Come accennato in precedenza, questo è per gli alimentatori a commutazione forzata: una delle promesse originali del GaN è che può eguagliare l'elevata efficienza degli anni '90 di complessi progetti in silicio a commutazione morbida a frequenze molto più elevate, e quindi in custodie molto più piccole come gli induttori E Condensatori ridursi con frequenza crescente.
Tuttavia, con l'hard switching di nanosecondi si presenta un problema EMC potenzialmente orrendo, motivo per cui QPT offre anche moduli filtro di ingresso e uscita specializzati.
Prendendo come esempio il filtro di uscita per mezzo ponte, l'obiettivo di Gwynne è controllare tutte le frequenze che non possono essere gestite dall'esperto progettista di PSU in silicio utilizzando L e C convenzionali, da GHz fino a circa 10 MHz.
"Questo è un filtro di potenza a microonde molto sofisticato", ha detto. "È molto speciale ed è stato difficile da progettare, ma il suo costo per unità di produzione è basso." Occupa ~1cm3 e deve essere montato sul PCB ausiliario (PCB appena visibile immagine in alto).
Il progettista dell'alimentatore creerà quindi il filtro LC esterno che gestirà il resto dell'EMC (rappresentato dalla casella grigia a destra in immagine centrale), passando i 50/60Hz necessari al motore (o pochi kHz al motore di una macchina CNC) - un filtro che sarà fisicamente piccolo rispetto a quello nell'esempio VFD convenzionale a 25kHz di Gwynne, a causa della frequenza fondamentale di 2MHz del VFD GaN - e costi inferiori, afferma.
I moduli sono destinati ad essere imbullonati a un dissipatore di calore, con componenti ausiliari montati su un PCB sull'altro lato dei moduli (vedere le immagini). QPT sta creando interconnessioni specialistiche, nonché regole di progettazione per il PCB e il resto della costruzione.
Il serbatoio di input locale condensatore, da cui vengono prelevati gli impulsi di corrente ad alta frequenza, sono tra i componenti ausiliari sulla scheda di interconnessione, alla quale l'OEM aggiungerà un condensatore di riserva esterno a bassa frequenza.
"Se seguono le nostre linee guida, supereranno l'EMC senza problemi condotti e irradiati", ha affermato Gwynne.
I transistor GaN sono inaffidabili?
Molto è promesso, ma i transistor GaN non vengono visualizzati nei prodotti automobilistici reali né in altri prodotti finali ad alta affidabilità. Sono intrinsecamente inaffidabili?
C'è la percezione che non siano così affidabili, ha detto Gwynne, ma questo non si basa sui dati.
I la tecnologia non è maturo, senza la storia del silicio, e nemmeno del carburo di silicio, ha continuato, quindi non sono disponibili dati sufficienti per giungere ad una conclusione definitiva.
Qualcosa che potrebbe contribuire alla percezione sono quei picchi di overshoot e undershoot ultraveloci, al di fuori delle specifiche del dispositivo, che sono facilmente generati, ma non facilmente visibili e certamente non misurati con precisione senza gli strumenti giusti e la corretta tecnica di tastatura.
QPT è stata fondata nel 2019, “dopo 10 anni di lavoro di sviluppo, ha affermato Gwynne, e ha sede a Cambridge, nel Regno Unito. Ha R&S e produzione in Portogallo, ingegneria di produzione e un laboratorio in Polonia. La linea di produzione è stata impostata per portare i prodotti Gen2 a circa 100,000 unità, dopodiché si stanno valutando le case di assemblaggio.
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