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Pour tirer le meilleur parti des transistors de puissance GaN, qui sont beaucoup plus rapides que les transistors au silicium ou au carbure de silicium, les techniques de conception micro-ondes, y compris la simulation RF, sont essentielles, selon la start-up QPT de Cambridge.

Assemblage final, écran CEM partiellement levé

L'alternative est de ralentir le fonctionnement jusqu'à ce que les avantages du GaN disparaissent, ou de risquer la durabilité, car un dépassement et un sous-dépassement ultra-rapides invisibles détruisent les circuits de commande ou le transistor de commutation, a déclaré le fondateur et PDG de la société, Rob Gwynne, à Electronics Weekly.

Il soutient qu'il vaut la peine de tirer le meilleur parti du GaN, car il peut réduire la taille d'un VFD (entraînement à fréquence variable) pour un moteur de 10 ch, par exemple, d'une conception IGBT de 20 litres à moins d'un litre pour un GaN de 2 MHz. design – suffisamment petit pour être intégré au moteur.

Se concentrant sur l'alimentation secteur à commutation dure monophasée et triphasée, QPT a été mis en place pour fabriquer des modules pour les alimentations à base de GaN qui mettent en œuvre toute la conception RF, permettant aux concepteurs d'alimentations expérimentés de fabriquer des alimentations à base de GaN hautes performances. conceptions sans expertise RF ou micro-ondes, et sans acheter d'instrumentation GHz. Ceci est analogue à la manière dont les systèmes sur modules CPU sont utilisés pour faciliter la conception de produits numériques.

Construit autour de multiples brevets, trois types de module ont été développés : un filtre d'entrée, un module transistor+driver (deux off dans le montage en demi-pont de gauche) et un filtre de sortie.

Prenant d'abord le module transistor + pilote, il s'agit d'une conception isolée destinée à fonctionner sur des liaisons CC jusqu'à 540V.

La commutation à 2 MHz entraîne des transitoires de mode commun extraordinairement élevés sur le pilote de grille côté haut, en particulier lorsque le transistor commute en 1 à 1,5 ns dans la conception du QPT.

"La commutation de 540 V en 1,5 ns passera par la capacité de la plupart des transformateurs d'entraînement et détruira le pilote", a déclaré Gwynne. "Notre transformateur RF, que nous avons breveté, a une inductance de fuite extrêmement faible, une capacité parasite incommensurablement faible entre les enroulements et peut tolérer 600-700 V/ns, sans problème."

Le module de commutation est conçu pour être utilisé dans le côté haut ou le côté bas d'un demi-pont - donc six dans un pont triphasé.

À l'intérieur, le transistor de commutation de puissance 650 V provient de GaN Systems et les transistors de pré-commande GaN 3 GHz proviennent d'EPC, avec de nombreux signaux circulant sur des lignes de transmission à impédance adaptée.

Une grande partie des circuits de support du module est implémentée dans des composants discrets dans ce module de première génération - la preuve de concept comme le décrit Gwynne - qui mesure environ 30 x 30 x 25 mm. Gen2 réduira cela à ~ 20x20x6mm lorsqu'un asic, déjà dans le pipeline, épongera de nombreux composants séparés.

Le délai de propagation de l'entrée à la sortie est de 3 ns - plus rapide que la logique TTL, tout en commutant des centaines de volts, "avec une dispersion mesurée en picosecondes", a déclaré Gwynne, qui a ajouté que la bande morte nécessaire entre les entrées PWM supérieure et inférieure n'est qu'un quelques nanosecondes.

Comme mentionné ci-dessus, c'est pour les blocs d'alimentation à commutation dure - l'une des promesses originales du GaN est qu'il peut correspondre à l'efficacité élevée des années 90 des conceptions complexes en silicium à commutation douce à des fréquences beaucoup plus élevées - et donc dans des boîtiers beaucoup plus petits que les inducteurs et les condensateurs rétrécissent avec une fréquence croissante.

Cependant, la commutation matérielle nanoseconde entraîne un problème CEM potentiellement épouvantable, c'est pourquoi QPT propose également des modules de filtrage d'entrée et de sortie spécialisés.

En prenant le filtre de sortie par demi-pont comme exemple, l'objectif de Gwynne est qu'il contrôle toutes les fréquences qui ne peuvent pas être traitées par le concepteur expérimenté de blocs d'alimentation en silicium utilisant des L et des C conventionnels - de GHz à environ 10 MHz.

"Il s'agit d'un filtre de puissance micro-ondes très sophistiqué", a-t-il déclaré. "Il est très spécial et difficile à concevoir, mais son coût unitaire de fabrication est faible." Il occupe ~1cm3 et doit être monté sur le PCB auxiliaire (PCB à peine visibleimage du haut).

Le concepteur du bloc d'alimentation créera ensuite le filtre LC externe qui gérera le reste de l'EMC (représenté par la boîte grise de droite dansimage du milieu), transmettant les 50/60 Hz nécessaires au moteur (ou quelques kHz à un moteur de machine CNC) - un filtre qui sera physiquement petit par rapport à celui de l'exemple VFD conventionnel de 25 kHz de Gwynne, en raison de la fréquence fondamentale de 2 MHz du GaN VFD - et à moindre coût, affirme-t-il.

Les modules sont destinés à être boulonnés à un dissipateur thermique, avec des composants auxiliaires montés sur un circuit imprimé de l'autre côté des modules (voir images). QPT crée une interconnexion spécialisée, ainsi que des règles de conception pour le PCB et le reste de la construction.

Le condensateur réservoir d'entrée local, à partir duquel les impulsions de courant haute fréquence sont extraites, fait partie des composants auxiliaires de la carte d'interconnexion, auxquels l'OEM ajoutera un condensateur réservoir basse fréquence externe.

"S'ils suivent nos directives, ils passeront à travers EMC sans problèmes de conduction ni de rayonnement", a déclaré Gwynne.

Beaucoup est promis, mais les transistors GaN n'apparaissent pas dans les vrais produits automobiles ni dans d'autres produits finaux à haute fiabilité. Sont-ils intrinsèquement peu fiables ?

Il y a une perception qu'ils ne sont pas aussi fiables, a déclaré Gwynne, mais cela n'est pas basé sur des données.

La technologie n'est pas mature, sans l'histoire du silicium, ou même du carbure de silicium, a-t-il poursuivi, donc pas assez de données sont disponibles pour tirer une conclusion définitive.

Quelque chose qui pourrait contribuer à la perception est ces pics de dépassement et de sous-dépassement ultra-rapides, en dehors des spécifications de l'appareil, qui sont facilement générés, mais pas facilement visibles, et certainement pas mesurés avec précision sans les bons instruments et la bonne technique de sondage.

QPT a été fondée en 2019, "après 10 ans de travail de développement, a déclaré Gwynne, et a son siège social à Cambridge au Royaume-Uni. Elle a la R&D et la production au Portugal, et l'ingénierie de production et un laboratoire en Pologne. La chaîne de production a été configurée pour prendre Produits Gen2 à environ 100 000 unités, après quoi des maisons d'assemblage sont envisagées.