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Para obtener lo mejor de los transistores de potencia de GaN, que son mucho más rápidos que los transistores de silicio o carburo de silicio, las técnicas de diseño de microondas, incluida la simulación de RF, son esenciales, según la empresa QPT de Cambridge.

Montaje final, pantalla EMC parcialmente levantada

La alternativa es ralentizar el funcionamiento hasta que desaparezcan las ventajas de GaN, o arriesgar la durabilidad a medida que el sobreimpulso y el subimpulso ultrarrápidos e invisibles destruyen los circuitos del controlador o el transistor de conmutación, dijo el fundador y director ejecutivo de la compañía, Rob Gwynne, a Electronics Weekly.

Argumenta que vale la pena sacar el máximo partido de GaN, porque puede reducir el tamaño de un VFD (variador de frecuencia) para un motor de 10 hp, por ejemplo, de un diseño IGBT de 20 litros a menos de un litro para un GaN de 2 MHz. diseño: lo suficientemente pequeño como para integrarse en el motor.

Concentrándose en la alimentación de red de conmutación rígida monofásica y trifásica, QPT se ha configurado para fabricar módulos para fuentes de alimentación basadas en GaN que implementan todo el diseño de RF, lo que permite a los diseñadores de fuentes de alimentación experimentados fabricar fuentes de alimentación basadas en GaN de alto rendimiento. diseños sin experiencia en RF o microondas, y sin comprar instrumentación de GHz. Esto es análogo a la forma en que se utilizan los sistemas en módulos de CPU para facilitar el diseño de productos digitales.

Basado en múltiples patentes, se han desarrollado tres tipos de módulos: un filtro de entrada, un módulo de transistor + controlador (dos en el ensamblaje de medio puente a la izquierda) y un filtro de salida.

Tomando primero el módulo de transistor + controlador, es un diseño aislado destinado a operar en enlaces de CC de hasta 540V.

Con la conmutación de 2MHz vienen transitorios de modo común extraordinariamente altos en el controlador de puerta del lado alto, particularmente cuando el transistor cambia en 1 - 1.5ns en el diseño de QPT.

"La conmutación de 540 V en 1,5 ns superará la capacitancia de la mayoría de los transformadores de accionamiento y destruirá el controlador", dijo Gwynne. "Nuestro transformador de RF, que hemos patentado, tiene una inductancia de fuga inmensamente baja, una capacitancia parásita inmensamente baja entre los devanados y puede tolerar 600-700 V/ns, sin problemas".

El módulo de conmutación está diseñado para usarse en el lado alto o bajo de un medio puente, es decir, seis en un puente trifásico.

En el interior, el transistor de conmutación de potencia de 650 V es de GaN Systems y los transistores precontroladores de GaN de 3 GHz son de EPC, con muchas señales que viajan a través de líneas de transmisión de impedancia adaptada.

Gran parte del circuito de soporte en el módulo se implementa en componentes discretos en este módulo de primera generación, la prueba de concepto como lo describe Gwynne, que mide ~30 x 30 x 25 mm. Gen2 reducirá esto a ~ 20x20x6 mm cuando un ASIC, que ya está en proceso, elimine muchos de los componentes separados.

El retraso de propagación de la entrada a la salida es de 3 ns abrasador, más rápido que la lógica TTL, mientras cambia cientos de voltios, "con una dispersión medida en picosegundos", dijo Gwynne, quien agregó que la banda muerta necesaria entre las entradas PWM superior e inferior es solo un pocos nanosegundos.

Como se mencionó anteriormente, esto es para PSU de conmutación dura: una de las promesas originales de GaN es que puede igualar la alta eficiencia de los 90 de los diseños complejos de silicio de conmutación suave a frecuencias mucho más altas y, por lo tanto, en recintos mucho más pequeños como los inductores. y los condensadores se encogen al aumentar la frecuencia.

Sin embargo, con la conmutación dura de nanosegundos surge un problema de EMC potencialmente horrendo, razón por la cual QPT también ofrece módulos de filtro de entrada y salida especializados.

Tomando el filtro de salida por medio puente como ejemplo, el objetivo de Gwynne es que controle todas las frecuencias que no pueden ser manejadas por el diseñador experimentado de PSU de silicio usando Ls y Cs convencionales, desde GHz hasta alrededor de 10MHz.

"Este es un filtro de potencia de microondas muy elegante", dijo. “Es muy especial y fue difícil de diseñar, pero su costo por unidad en la fabricación es bajo”. Ocupa ~1cm3 y necesita ser montado en el PCB auxiliar (PCB apenas visibleimagen superior).

El diseñador de PSU luego creará el filtro LC externo que manejará el resto del EMC (representado por el cuadro gris de la derecha enimagen del medio), pasando los 50/60 Hz que necesita el motor (o unos pocos kHz a un motor de máquina CNC), un filtro que será físicamente pequeño en comparación con el del VFD convencional de ejemplo de 25 kHz de Gwynne, debido a la frecuencia fundamental de 2 MHz del VFD de GaN: y menor costo, afirma.

Los módulos están diseñados para atornillarse a un disipador de calor, con componentes auxiliares montados en una placa de circuito impreso en el otro lado de los módulos (ver imágenes). QPT está creando una interconexión especializada, así como reglas de diseño para la PCB y el resto de la construcción.

El condensador de depósito de entrada local, del que se extraen los impulsos de corriente de alta frecuencia, se encuentra entre los componentes auxiliares de la placa de interconexión, al que el OEM agregará un condensador de depósito externo de baja frecuencia.

"Si siguen nuestras pautas, pasarán rápidamente por EMC sin problemas conducidos ni radiados", afirmó Gwynne.

Se promete mucho, pero los transistores GaN no aparecen en productos automotrices reales ni en otros productos finales de alta confiabilidad. ¿Son inherentemente poco fiables?

Existe la percepción de que no son tan confiables, dijo Gwynne, pero esto no se basa en datos.

La tecnología no está madura, sin la historia del silicio, o incluso del carburo de silicio, continuó, por lo que no hay suficientes datos disponibles para llegar a una conclusión firme.

Algo que podría estar contribuyendo a la percepción son esos picos de sobreimpulso y subimpulso ultrarrápidos, fuera de la especificación del dispositivo, que se generan fácilmente, pero no se ven fácilmente y, ciertamente, no se miden con precisión sin los instrumentos adecuados y la técnica de sondeo correcta.

QPT se fundó en 2019, "después de 10 años de trabajo de desarrollo", dijo Gwynne, y tiene su sede en Cambridge, Reino Unido. Tiene I + D y producción en Portugal, e ingeniería de producción y un laboratorio en Polonia. La línea de producción se ha configurado para tomar Productos Gen2 a alrededor de 100.000 unidades, después de lo cual se están considerando casas de ensamblaje.