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Secondo la start-up QPT di Cambridge, per ottenere il meglio dai transistor di potenza GaN, che sono molto più veloci dei transistor al silicio o al carburo di silicio, sono essenziali tecniche di progettazione a microonde che includano la simulazione RF.

Assemblaggio finale, schermo EMC parzialmente sollevato

L'alternativa è rallentare il funzionamento fino a quando i vantaggi del GaN svaniscono, o rischiare la durabilità poiché il superamento e il mancato raggiungimento ultrarapidi invisibili distruggono i circuiti del driver o il transistor di commutazione, ha dichiarato 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 design IGBT da 20 litri a meno di un litro per un GaN da 2 MHz. design: abbastanza piccolo da poter essere integrato nel motore.

Concentrandosi sull'alimentazione di rete monofase e trifase a commutazione rigida, QPT è stata creata per realizzare moduli per alimentatori basati su GaN che implementano tutta la progettazione RF, consentendo a progettisti esperti di alimentatori di realizzare alimentatori basati su GaN ad alte prestazioni progetti senza competenze in RF o microonde e senza acquistare strumentazione GHz. Questo è analogo al modo in cui i sistemi su moduli CPU vengono utilizzati per facilitare la progettazione di prodotti digitali.

Basandosi su numerosi brevetti, sono stati sviluppati tre tipi di moduli: un filtro di ingresso, un modulo transistor+driver (due nel gruppo semiponte a sinistra) e un filtro di uscita.

Prendendo innanzitutto 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 verificano transitori di modo comune straordinariamente elevati sul driver del gate 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 comando e distruggerà il driver", ha affermato Gwynne. "Il nostro trasformatore RF, da noi brevettato, ha un'induttanza di dispersione estremamente bassa, una capacità parassita incommensurabilmente bassa tra gli avvolgimenti e può tollerare 600-700 V/ns senza problemi."

Il modulo di commutazione è progettato per essere utilizzato sia nel lato alto che nel lato basso di un mezzo ponte, quindi sei in un ponte trifase.

All'interno, il transistor di commutazione di potenza 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 impedenza corrispondente.

Gran parte dei circuiti di supporto del modulo sono implementati in componenti discreti in questo modulo di prima generazione (il proof-of-concept come lo descrive Gwynne) che misura circa 30 x 30 x 25 mm. La Gen2 lo ridurrà a ~20x20x6mm quando un ASIC, già in cantiere, assorbirà molti dei componenti separati.

Il ritardo di propagazione dall'ingresso all'uscita è di 3 ns – più veloce della logica TTL, mentre commuta 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 riguarda gli alimentatori a commutazione hardware: una delle promesse originali del GaN è che può eguagliare l'efficienza degli anni '90 di complessi progetti in silicio a commutazione morbida a frequenze molto più elevate e quindi in involucri molto più piccoli come gli induttori. e i condensatori si restringono con l'aumentare della frequenza.

Tuttavia, con la commutazione hardware nell'ordine dei nanosecondi si presenta un problema EMC potenzialmente orrendo, motivo per cui QPT offre anche moduli di filtro di ingresso e uscita specializzati.

Prendendo come esempio il filtro di uscita per mezzo ponte, l'obiettivo di Gwynne è quello di controllare tutte le frequenze che non possono essere gestite dall'esperto progettista di alimentatori in silicio utilizzando L e C convenzionali, da GHz fino a circa 10 MHz.

"Questo è un filtro per la potenza delle 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 necessita di essere montato sul PCB ausiliario (PCB appena visibileimmagine in alto).