QPT将GaN电力电子开关频率提升至20MHz

剑桥初创公司将GaN推向高电压、高功率应用

剑桥初创公司QPT声称自己是第一家创造出使GaN的工作频率远远超过当前100 kHz限制技术的公司。其专利方法将GaN扩展到20 MHz，使其适用于使用硬开关的高功率、高压应用，例如HVAC、机器人等的电机驱动系统。

GaN晶体管对下一代电力电子器件的重要性在于其能够在超高频下进行开关操作的能力。缓慢的转换会浪费能量，因为在晶体管既不打开也不关闭的开关时间内，它会消耗大量功率，从而导致能量损失和过热问题。开关速度越快，转换时间越短，能量损失就越少。GaN能以1-2ns的速度从开启过渡到关闭，而Si和SiC晶体管则为20-50ns。

然而，在高电压、高功率应用中，GaN的实际限制为100 kHz，超过该限制，过热和RF干扰的问题就会变得很严重。目前的解决方案是将GaN限制在100 kHz以下，这意味着其性能与SiC相似，且使用GaN没有任何好处，因为它不是在高开关速度或频率下运行，而只有那样才能节省功耗。

剑桥初创公司将GaN推向高电压、高功率应用

QPT的创始人兼首席执行官Rob Gwynne（上图）解释说：“功率工程师专注于成为某个领域的专家，并开发了在10-100Khz开关下工作的技术和设计方法，这正是Si和SiC晶体管的工作环境。作为一名射频工程师，我能够研究这个问题，并创建一个解决方案，使GaN晶体管能够以高达20 MHz的全部潜力运行，并具有纳秒级开关，以提供更好的操作精度，而不会出现RF干扰或过热问题，从而首次实现其承诺的效率。QPT已将其技术突破整合到两个模块中，以便客户能够以最少的工作量和对现有设计的更改来轻松应用。qGaN模块包含一个650V GaN晶体管和该公司的qDrive，据说后者是世界上最快、最准确、最高分辨率、低抖动的隔离GaN晶体管栅极驱动。第二个模块是qSensor，它结合了该公司的ZEST和qSense技术。它提供了传感和控制，使GaN首次能够以超高频驱动。

此外，QPT还开发了WisperGaN结构系统，其中包括一个如何将模块和辅助电子器件组装在一个法拉第笼中的参考设计，这样就不会出现发热或射频问题。由此产生的解决方案释放了GaN目前在超高频下工作的能力，与必须在更低频率下运行的现有解决方案相比，功耗降低了80%。

第一个qGaN模块（Q650V15A-M01）将处理驱动380V三相电机的15A RMS电流。路线图将有qGaN模块来处理各种不同的功率负载，以适应不同应用领域的要求。与其他QPT技术模块一起，可以根据参考设计轻松组装交钥匙解决方案。该参考设计可直接替代现有VFD的功率级，无需任何EMC或热冷却方面的专业技术。

“现有系统的其余部分，如微处理器和软件堆栈保持不变，”Rob Gwynne解释道，“这使得升级成为一个真正即插即用的解决方案，只需更小的功率，因此它可以在几周内有效地收回成本。此外，由于新的BOM不需要外部过滤器，因此所需数量比现有解决方案少，又进一步节省了成本。

“希望从当前的硅解决方案升级以提高能效的公司可以跳过内部开发SiC解决方案的麻烦，只需使用我们这个尚未发布的GaN解决方案即可。将节能80%左右的 VFD与电机使用相结合，可将整体功耗降低约 10%，这在电机经常处于低速且当前解决方案效率低下的应用中会增加。

该公司估计，其新技术能提供电力节约的高压、高功率应用市场存在一个价值3650亿美元的总潜在市场（TAM）。一个关键的部分是正在世界各地部署的HVAC和热泵，因此TAM将继续增加。Gwynne总结道：“电动机占全球用电量的45%，我们的技术可以使它们更有效率，这意味着更少的二氧化碳排放，有助于应对气候变化。”

变频驱动器 （VFD）

主要应用领域是电机驱动器的控制电子。市场研究人员估计，每年会增加110亿台电动机，占总电能使用的45%，因此更有效的电机控制可以显著节省全球能源并减少二氧化碳的产生。

VFD的工作原理是斩波输入功率以产生可以更改的频率以调整电机的速度。每次发生斩波时都会损失能量，目前，制造商认为这是最少的，因此他们引用了97%的效率数据。然而，这个数字是在全速状态下的，但实际上，速度是变化的，效率随着速度的下降会显著下降，这就是现实世界的操作周期中发生的事情，而制造商却悄悄忽略了这一点。这类似于汽车制造商只引用最佳速度下的燃料使用情况，而不提及城市线路的实际数据。

为了减少能源浪费，从而提高效率，斩波需要快速，尽快从关闭过渡到打开或从打开到关闭。这是因为，在晶体管既不打开也不关闭的开关时间内，它会消耗大量的功率，这占了能量损失的大头。

采用QPT技术的GaN晶体管现在能够以高达20 MHz的频率运行，提供1-2 ns的超快开关，而当GaN被限制在100KHz以下以避免发热和EMC问题时，则为50-100ns。因此，它们几乎没什么时间处于这个高能量损失区域，故而，它们能以很少的能量将直流电切成变频交流电，驱动电机跨越整个区间内的不同的速度。

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