兆赫开关频率提升 GaN 性能

来源：新能源汽车网

时间：2023-07-13 16:03:22

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兆赫开关频率提升 GaN 性能氮化镓 (GaN) 因其比传统硅基器件更高的电子迁移率而具有出色的高频开关能力。GaN 晶体管对于电力电子器件至关重要，因为它们在高开关频率下

氮化镓 (GaN) 因其比传统硅基器件更高的电子迁移率而具有出色的高频开关能力。GaN 晶体管对于电力电子器件至关重要，因为它们在高开关频率下工作，从而实现更小的磁性元件和更高的功率效率。
在低压设计中，GaN 功率晶体管通常以大约 100KHz 至几 MHz 的开关频率使用。在高压应用中，除了复杂的谐振设计之外，由于热管理和射频发射带来的困难，导致常常难以克服的 EMC 挑战，因此在 100KHz 以上使用 GaN 功率器件的例子非常少。
然而，可以肯定的是，缓慢的转变会浪费能源。在晶体管既不导通也不截止的时间内，它会消耗功率，从而导致能量损失和热问题。随着开关速度的增加，转换过程中消耗的时间更少，能量损失也更少。GaN 晶体管可以在 1-2ns 内从开到关转变，而 Si 和 SiC 晶体管需要 20-50ns。
本文将介绍 QPT 公司开发的技术，该技术旨在以高达 20 MHz 的频率运行 GaN 功率晶体管，该频率远远高于当今技术可实现的频率。
QPT总部位于英国剑桥，是家开发使 GaN 在超过 100 kHz 的高功率频率下工作所需技术的公司。这些高压应用需要硬开关，例如用于 HVAC、自动化等的电机驱动系统。QPT 的一系列技术使 GaN 首次能够在高达 20 MHz 的频率下运行，而不会出现过热或 RF 干扰的情况，从而为 GaN 创造了广阔的新应用领域。

据 QPT 称，在当今的高电压、高功率应用中，GaN 的实际频率上限约为 100 kHz，超过该频率就会出现过热和 RF 干扰问题。目前的解决方案是将 GaN 抑制到 100kHz 以下，这意味着其性能与碳化硅相当。使用 GaN 没有任何优势，因为它不能在高开关速度或频率下运行，而实际上它可以节省功耗。

“许多人已经在 DC-DC 转换器中的低压 GaN 上进行研究，甚至在谐振系统的高压应用中进行研究。我们有数十亿台电机由基于 IGBT、硅或 SiC 功率开关的 VFD 逆变器驱动，但效率低下。GaN 有可能取代这些开关，从而减少 80% 的电力浪费”，QPT 创始人兼执行官 Rob Gwynne 说道。

QPT 技术分为两个模块，以便用户可以快速启动并运行它，并且只需对其当前设置进行少量修改：
qGaN：该模块包括一个 650V GaN 晶体管和专有的 qDrive?，这是一种快速、准确的隔离式 GaN 栅极驱动器，具有高分辨率和低延迟。

qSensor：它提供传感和控制，使 GaN 能够以非常高的频率驱动。

图 1 显示了 QPT 控制的 GaN 与 GaN 和 SiC 商业器件的比较。正如我们所看到的，QPT 的 GaN 的损耗保持在较低水平，并且在整个 100kHz – 2MHz 频率范围内几乎保持恒定。即使在较低开关频率下，商用 SiC 器件的损耗也较高，而在较高频率下，SiC 和 GaN 现有解决方案都会因热管理限制而增加损耗。
兆赫开关频率提升 GaN 性能
图1 SiC、GaN和QPT控制的GaN的比较（源QPT）
此外，QPT 还开发了 WisperGaN 构建系统（图 2），其中包括一个参考设计，用于说明如何将模块和辅助电子器件组装在法拉第笼中，以防止发热和射频干扰。由此产生的解决方案使 GaN 能够在超高频下工作，并且与必须在低得多的频率下工作的现有解决方案相比，功耗降低了 80%。

兆赫开关频率提升 GaN 性能

图 2 QPT 使用其模块（前台有 qGaN 模块）的 VFD 参考设计（来源 QPT）
个 qGaN 模块 (Q650V15A-M01) 可处理 15A RMS 电流，同时驱动 380V 三相电机。该路线图将包括能够处理不同功率需求的 qGaN 模块，以满足各种应用领域的需求。
“我们需要三四年的时间才能进入市场。但我们必须现在就开始——越早开始，我们就能越早有所收获。随着我们不断前进，我们没有任何物理原因不能拥有 1,200V GaN”，Gwynne 说道。
与其他 QPT 技术模块相结合，可以根据图 2 所示的参考设计轻松组装全面的解决方案。该参考设计是现有 VFD 功率级的直接替代品，无需 EMC 或热冷却知识。
“目前，必须使用多电平拓扑来设计高压转换器，因为只有 650V 额定电压的 GaN 器件。我们已经开始与对电动汽车市场感兴趣并拥有利益相关者的公司合作。我们相信四五年内我们的技术将会成熟，使我们能够提供 1,000-1,200V 的设备”，Gwynne 说道。
其中个是 GaN Systems Inc.，该公司刚刚与 QPT 签署了一份谅解备忘录，以研究开发其技术的可能性，从而提高性能并进一步改进，从而提高电动汽车的行驶里程。Gwynne 解释说：“GaN Systems 生产性能的 650V 功率 GaN 器件，这使我们能够在与我们的技术相结合时实现效率。电力使用效率越高，电动汽车的续航里程就越远。”
GaN Systems Inc 执行官 Jim Witham 补充道：“QPT 开发的技术给我们留下了深刻的印象。他们实现了性能的功能改进，为电动汽车市场提供了高度优化的 GaN 解决方案。通过合作，GaN Systems 的晶体管和 QPT 技术可以极大地改变 GaN 市场。”
变频驱动器 (VFD)
VFD是电机驱动的关键技术，高效率在节能方面发挥着关键作用。VFD 的工作原理是将输入功率斩波为可改变的频率以控制电机速度。制造商目前认为切割过程中的能量损失可以忽略不计。然而，这种情况仅在速度下发生，而效率随着速度降低而大幅降低，这就是现实世界运行循环中的情况。
这种行为如图 3 所示，其中典型的 VFD 效率急剧下降，并且随着电机速度降低而浪费能量。QPT GaN 不会发生这种情况，它保持高效率。QPT 的 GaN 效率几乎没有变化，在实际操作条件下节省了大量功率。
“我们的技术是 VFD。我们有晶体管来制作半桥。输入、输出和 RF 滤波器均包含在参考设计中，可直接替代基于 IGBT 或 MOSFET 的 VFD 功率级”，Gwynne 说道。
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图 3：VFD 效率与电机速度（来源 QPT）
此外，QPT的解决方案与PWM信号兼容，并且由于没有辐射发射，因此不受EMC、封装和散热问题的影响。