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Um das Beste aus GaN-Leistungstransistoren herauszuholen, die weitaus schneller sind als Silizium- oder Siliziumkarbid-Transistoren, sind Mikrowellen-Designtechniken einschließlich HF-Simulation unerlässlich, so das Cambridge-Startup QPT.

Endmontage, EMV-Schirm teilweise angehoben

Die Alternative besteht darin, den Betrieb zu verlangsamen, bis die Vorteile von GaN nachlassen, oder die Haltbarkeit zu riskieren, da unsichtbare ultraschnelle Über- und Unterschwingungen Treiberschaltungen oder den Schalttransistor zerstören, sagte Firmengründer und CEO Rob Gwynne gegenüber Electronics Weekly.

Er argumentiert, dass es sich durchaus lohnt, das Beste aus GaN herauszuholen, da es die Größe eines VFD (Variable Frequency Drive) für einen 10-PS-Motor beispielsweise von einem 20-Liter-IGBT-Design auf unter einen Liter für ein 2-MHz-GaN reduzieren kann Design – klein genug, um in den Motor integriert zu werden.

QPT konzentriert sich auf einphasige und dreiphasige hart schaltende Netzstromversorgung und wurde gegründet, um Module für GaN-basierte Netzteile herzustellen, die das gesamte HF-Design implementieren und es erfahrenen Netzteildesignern ermöglichen, leistungsstarke GaN-basierte Netzteile herzustellen Designs ohne HF- oder Mikrowellenkenntnisse und ohne den Kauf von GHz-Instrumenten. Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie CPU-System-on-Modules verwendet werden, um das Design digitaler Produkte zu vereinfachen.

Basierend auf mehreren Patenten wurden drei Arten von Modulen entwickelt: ein Eingangsfilter, ein Transistor+Treiber-Modul (zwei davon in der Halbbrückenanordnung links) und ein Ausgangsfilter.

Betrachtet man zunächst das Transistor- und Treibermodul, handelt es sich um ein isoliertes Design, das für den Betrieb an Gleichstromverbindungen bis zu 540 V vorgesehen ist.

Bei der 2-MHz-Schaltung kommt es zu außergewöhnlich hohen Gleichtakttransienten am High-Side-Gate-Treiber, insbesondere da der Transistor im QPT-Design in 1–1,5 ns schaltet.

„Das Schalten von 540 V in 1,5 ns durchdringt die Kapazität der meisten Antriebstransformatoren und zerstört den Treiber“, sagte Gwynne. „Unser von uns patentierter HF-Transformator hat eine immens niedrige Streuinduktivität, eine unermesslich niedrige parasitäre Kapazität zwischen den Wicklungen und verträgt problemlos 600–700 V/ns.“

Das Schaltmodul ist für den Einsatz entweder auf der High-Side oder der Low-Side einer Halbbrücke konzipiert – also sechs in einer Dreiphasenbrücke.

Im Inneren stammt der 650-V-Leistungsschalttransistor von GaN Systems und die 3-GHz-GaN-Vortreibertransistoren von EPC, wobei viele Signale über impedanzangepasste Übertragungsleitungen übertragen werden.

Ein Großteil der unterstützenden Schaltkreise im Modul ist in diesem Modul der ersten Generation – dem Proof-of-Concept, wie Gwynne es nennt – in diskreten Komponenten implementiert und misst ca. 30 x 30 x 25 mm. Gen2 wird dies auf ca. 20 x 20 x 6 mm verkleinern, wenn ein bereits in der Pipeline befindlicher ASIC viele der einzelnen Komponenten entfernt.

Die Ausbreitungsverzögerung vom Eingang zum Ausgang beträgt unglaubliche 3 ns – schneller als die TTL-Logik, während Hunderte von Volt geschaltet werden, „wobei die Streuung in Pikosekunden gemessen wird“, sagte Gwynne, der hinzufügte, dass die erforderliche Totzone zwischen dem oberen und dem unteren PWM-Eingang nur a beträgt wenige Nanosekunden.

Wie oben erwähnt, gilt dies für hart schaltende Netzteile – eines der ursprünglichen Versprechen von GaN besteht darin, dass es die hohe 90er-Effizienz komplexer weich schaltender Siliziumdesigns bei weitaus höheren Frequenzen erreichen kann – und daher in weitaus kleineren Gehäusen als den Induktivitäten und Kondensatoren schrumpfen mit zunehmender Frequenz.

Mit dem harten Schalten im Nanosekundenbereich geht jedoch ein potenziell horrendes EMV-Problem einher, weshalb QPT auch spezielle Eingangs- und Ausgangsfiltermodule anbietet.

Gwynnes Ziel ist es, am Beispiel des Pro-Halbbrücken-Ausgangsfilters alle Frequenzen zu kontrollieren, die der erfahrene Entwickler von Silizium-Netzteilen mit herkömmlichen Ls und Cs nicht bewältigen kann – von GHz bis hinunter zu etwa 10 MHz.

„Das ist ein sehr schicker Mikrowellen-Leistungsfilter“, sagte er. „Es ist etwas ganz Besonderes und schwer zu entwerfen, aber die Herstellungskosten pro Einheit sind niedrig.“ Es nimmt ca. 1 cm3 ein und muss auf der Zusatzplatine montiert werden (die Platine ist gerade sichtbar).oberes Bild).

Der Netzteildesigner erstellt dann den externen LC-Filter, der den Rest der EMV übernimmt (dargestellt durch das rechte graue Kästchen in).mittleres Bild) und leitet die vom Motor benötigten 50/60 Hz (oder einige kHz an einen CNC-Maschinenmotor) weiter – ein Filter, der im Vergleich zu dem in Gwynnes herkömmlichem 25-kHz-VFD-Beispiel aufgrund der Grundfrequenz des GaN-VFD von 2 MHz physikalisch klein sein wird – und geringere Kosten, behauptet er.

Die Module sollen an einen Kühlkörper geschraubt werden, wobei Zusatzkomponenten auf einer Leiterplatte auf der anderen Seite der Module montiert werden (siehe Bilder). QPT erstellt spezielle Verbindungs- und Designregeln für die Leiterplatte und den Rest der Konstruktion.

Der lokale Eingangs-Reservoirkondensator, aus dem hochfrequente Stromimpulse entnommen werden, gehört zu den Zusatzkomponenten auf der Verbindungsplatine, zu der der OEM einen externen Niederfrequenz-Reservoirkondensator hinzufügen wird.

„Wenn sie unsere Richtlinien befolgen, werden sie die EMV ohne leitungsgebundene oder abgestrahlte Probleme problemlos überwinden“, behauptete Gwynne.

Es wird viel versprochen, aber GaN-Transistoren tauchen weder in echten Automobilprodukten noch in anderen hochzuverlässigen Endprodukten auf. Sind sie von Natur aus unzuverlässig?

Es bestehe der Eindruck, dass sie nicht so zuverlässig seien, sagte Gwynne, aber dies beruhe nicht auf Daten.

Die Technologie sei ohne die Geschichte von Silizium oder sogar Siliziumkarbid noch nicht ausgereift, fuhr er fort, daher seien nicht genügend Daten verfügbar, um zu einer eindeutigen Schlussfolgerung zu gelangen.

Etwas, das zu dieser Wahrnehmung beitragen könnte, sind diese ultraschnellen Über- und Unterschwingungsspitzen, die außerhalb der Gerätespezifikation liegen und leicht erzeugt, aber nicht leicht erkennbar sind und ohne die richtigen Instrumente und die richtige Sondierungstechnik schon gar nicht genau gemessen werden können.

„QPT wurde 2019 nach 10 Jahren Entwicklungsarbeit gegründet“, sagte Gwynne, und hat seinen Hauptsitz in Cambridge, Großbritannien. Das Unternehmen verfügt über Forschung und Entwicklung und Produktion in Portugal sowie Produktionstechnik und ein Labor in Polen. Die Produktionslinie wurde für die Aufnahme eingerichtet Gen2-Produkte auf rund 100.000 Einheiten, danach werden Montagehäuser in Betracht gezogen.