一项声称用于硬开关的 GaN 技术突破

一种新的氮化镓 (GaN) 解决方案声称可以使该技术远远超过其当前 100 kHz 的限制，以促进为 HVAC 和机器人技术等应用提供服务的电机驱动系统在高压下的硬开关。QPT 的两个新模块采用了一种 IP，使高压硬开关应用中的 GaN 晶体管能够以高达 20 MHz 的频率运行，同时提供 1-2 ns 范围内的超快开关，而不是 20-50 ns 范围对于 GaN，当频率限制在 100 kHz 以下以避免发热和电磁兼容性 (EMC) 问题时。

碳化硅 (SiC) 不能以高于 100 kHz 的转换器速度运行而开关损耗变得不可接受，与此不同，GaN 可以以 1-2 ns 的速度快速切换，并支持 10 MHz 的高转换器速度。但必须解决异常困难的 EMC 和热问题，才能实现这种固有的 GaN 优点。

当前的解决方案将频率限制在 100 kHz 以下，以避免过热和 RF 干扰。因此，GaN 的性能类似于 SiC，因为它无法在高开关频率下运行以实现节能。“存在大量的 EMC 问题，而且解决这些问题的成本很高，”QPT 的创始人兼执行官 Rob Gwynne 说。

然而，GaN 技术的重要性主要来自于它能够以超高频率进行开关操作。否则，在开关期间，当晶体管既不导通也不关断时，它会消耗大量功率，导致能量损失和过热问题。

图 1三条曲线显示了运行硬开关时 SiC 和 GaN 器件在 500 kHz 时的损耗（上图）、1 MHz 时的损耗（中间）和 GaN 器件在 2 MHz 时的损耗（下图）。资料：QPT

“当 dv/dt 大于电流隔离式栅极驱动器可以承受的范围时，您的系统将自毁，或者您必须限制 dv/dt，从而浪费功率，”Gwynne 补充道。“这就是您终会遇到射频/微波功率布线/互连匹配问题的原因。” 因此，电源设计工程师必须更改滤波器和去耦组件以在微波频率下运行。

接下来，他们必须采用共模和差模复合微波滤波器来解决传导发射问题。“我们已经解决了 EMC、热控制和射频/微波互连等极其复杂的问题，”Gwynne 说。QPT 的解决方案使 GaN 晶体管能够以纳秒级开关以高达 20 MHz 的全部潜力运行，并提供更好的操作精度，而不会出现过热或 RF 干扰问题。

关键应用：电机驱动

受益于 GaN 用于开关的超高频的关键应用将是电机驱动的控制电子设备。在这里，高效率可以通过电机速度控制在节能方面发挥重要作用。“电动机占用电量的 45%，我们的技术可以提高它们的效率，这意味着减少二氧化碳排放，有助于应对气候变化，”Gwynne 说。

这就是一切的运作方式。电机控制中的变频驱动器 (VFD) 通过对输入电源进行斩波来运行，以创建可以更改的频率以调节电机速度，每次发生斩波时都会损失能量。值得注意的是，制造商普遍认为这种能量损失很小。然而，当制造商引用 97% 的效率时，它是全速的。所以，当速度下降时，效率会大幅下降，这是制造商普遍忽视的事实。

图 2这是典型 VFD 效率随着电机速度下降而急剧下降（下图）与高频 GAN 技术实现的高效电机控制（上图）之间的比较。资料：QPT

为了减少能源浪费并提高效率，斩波需要快速，尽快从关闭过渡到开启或从开启过渡到关闭。因此，在开关时间内，当晶体管既不导通也不关断时，占能量损失大部分的能量耗散可以被抑制。将直流电斩波为变频交流电以在不同速度的整个范围内驱动电机会浪费很少的能量。

两个模块和一个参考设计

个模块 qGaN 围绕 650-V GaN 晶体管和该公司的 qDrive 低抖动隔离式 GaN 晶体管栅极驱动构建。第二个模块 qSensor 提供传感和控制，使 GaN 能够以超高频驱动。

图 3 qGaN 模块可以在驱动 380V 三相电机时处理 15A RMS 电流。资料：QPT

为了为这些模块提供设计支持，QPT 开发了 WisperGaN 构造系统，其中包括一个参考设计，向工程师展示如何在法拉第笼中组装模块，从而避免加热或射频问题。据该公司称，与以低得多的频率运行的现有解决方案相比，它的用电量减少了 80%。