Das Cambridge Startup QPT behauptet, als erstes Unternehmen GaN-Betriebsfrequenzen zu entwickeln, die weit über die aktuelle 100-kHz-Grenztechnologie hinausgehen. Das patentierte Verfahren erweitert GaN auf 20 MHz und eignet sich somit für Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen mit harten Schaltern, wie Motorantriebssysteme für HLK, Roboter usw.
Die Bedeutung von
GaN-Transistoren für die nächste Generation leistungselektronischer Geräte liegt in ihrer Fähigkeit, mit Super-Hochfrequenz zu schalten. Langsame Umwandlung verschwendet Energie, denn während der Schaltzeit, wenn der Transistor weder ein- noch ausgeschaltet wird, verbraucht er viel Strom, was zu Energieverlusten und Überhitzungsproblemen führt. Je schneller die Schaltgeschwindigkeit, desto kürzer die Umwandlungszeit und desto weniger Energieverlust. GaN kann mit einer Geschwindigkeit von 1-2ns von ein nach aus wechseln, während Si- und SiC-Transistoren 20-50ns sind.
In Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen ist die tatsächliche Grenze von GaN jedoch 100 kHz, über die Überhitzung und HF-Interferenzprobleme sehr ernst werden. Die aktuelle Lösung besteht darin, GaN auf unter 100 kHz zu begrenzen, was bedeutet, dass seine Leistung ähnlich wie SiC ist, und die Verwendung von GaN hat keine Vorteile, da es nicht mit hohen Schaltgeschwindigkeiten oder Frequenzen arbeitet, was die einzige Möglichkeit ist, Energie zu sparen.
Rob Gwynne, Gründer und CEO von QPT, erklärte: Energieingenieure konzentrieren sich darauf, Experten in einem bestimmten Bereich zu werden und haben Techniken und Konstruktionsmethoden für die Arbeit unter 10-100Khz-Schaltern entwickelt, die die Arbeitsumgebung für Si- und SiC-Transistoren ist. Als HF-Ingenieur bin ich in der Lage, dieses Problem zu untersuchen und eine Lösung zu schaffen, die GaN-Transistoren ermöglicht, mit vollem Potenzial bis zu 20 MHz mit nanosekunden-Niveauschaltern zu arbeiten, um eine bessere Betriebsgenauigkeit ohne HF-Interferenzen zu bieten. Stör- oder Überhitzungsprobleme, wodurch erstmals die versprochene Effizienz erreicht wird. QPT hat seine technologischen Durchbrüche in zwei Module integriert, sodass Kunden sie mit minimalem Arbeitsaufwand und Änderungen an bestehenden Designs einfach anwenden können. Das qGaN-Modul enthält einen 650V GaN-Transistor und den qDrive des Unternehmens, der angeblich der schnellste, genaueste, hochauflösende und mit geringem Jitter isolierte GaN-Transistor-Gate-Treiber der Welt ist. Das zweite Modul ist qSensor, das die ZEST- und qSense-Technologien des Unternehmens kombiniert. Er bietet Sensorik und Steuerung, sodass GaN erstmals mit Super-Hochfrequenz angetrieben werden kann.
Darüber hinaus hat QPT auch ein WisperGaN-Struktursystem entwickelt, das ein Referenzdesign für die Montage von Modulen und elektronischen Hilfsgeräten in einem Faraday-Käfig enthält, so dass keine Heiz- oder HF-Probleme auftreten. Die resultierende Lösung setzt GaN‘s Stromfähigkeit frei, mit Super-Hochfrequenz zu arbeiten und reduziert den Stromverbrauch um 80% im Vergleich zu bestehenden Lösungen, die mit niedrigeren Frequenzen arbeiten müssen.
Das erste qGaN Modul (Q650V15A-M01) verarbeitet den 15A RMS Strom, der den 380V Drehstrommotor antreibt. Die Roadmap wird qGaN-Module enthalten, um verschiedene Leistungslasten zu bewältigen, um die Anforderungen verschiedener Anwendungsbereiche zu erfüllen. Zusammen mit anderen QPT-Technologiemodulen lassen sich schlüsselfertige Lösungen auf Basis von Referenzdesigns einfach zusammenstellen. Dieses Referenzdesign kann das Leistungsniveau bestehender VFDs direkt ersetzen, ohne dass hierfür Kenntnisse in EMV oder thermischer Kühlung erforderlich sind.
Die restlichen Teile des bestehenden Systems, wie Mikroprozessoren und Software-Stacks, bleiben unverändert", erklärt Rob Gwynne.
Unternehmen, die von aktuellen Silizium-Lösungen upgraden möchten, um die Energieeffizienz zu verbessern, können den Aufwand für die interne Entwicklung von SiC-Lösungen überspringen und einfach unsere noch nicht veröffentlichte GaN-Lösung nutzen. Die Kombination von VFD mit Motoren, die etwa 80% Energie sparen, kann den Gesamtstromverbrauch um etwa 10% reduzieren, was in Anwendungen, in denen Motoren oft mit niedrigen Drehzahlen arbeiten und aktuelle Lösungen ineffizient sind, zunehmen kann.
Das Unternehmen schätzt, dass es einen Gesamtpotenzialmarkt (TAM) im Wert von $365 Milliarden auf dem Markt für Hochvolt- und Hochleistungsanwendungen gibt, auf dem seine neue Technologie Energieeinsparungen ermöglichen kann. Eine Schlüsselkomponente ist der weltweite Einsatz von HLK- und Wärmepumpen, so dass TAM weiter zunehmen wird. Gwynne schloss: "Elektromotoren machen 45% des weltweiten Stromverbrauchs aus, und unsere Technologie kann sie effizienter machen, was weniger Kohlendioxidemissionen bedeutet und hilft, den Klimawandel zu bekämpfen
Frequenzumrichter (VFD)
Das Hauptanwendungsgebiet ist die Steuerungselektronik von Motortreibern. Marktforscher schätzen, dass jedes Jahr weitere elf Milliarden Elektromotoren hinzugefügt werden, die 45% des gesamten Stromverbrauchs ausmachen. Daher kann eine effektivere Motorsteuerung weltweit deutlich Energie einsparen und die Kohlendioxiderzeugung reduzieren.
Das Arbeitsprinzip von VFD besteht darin, die Eingangsleistung zu hacken, um eine Frequenz zu erzeugen, die geändert werden kann, um die Geschwindigkeit des Motors einzustellen. Jedes Mal, wenn ein Hacken stattfindet, geht Energie verloren, und derzeit halten die Hersteller dies für die geringste, daher zitierten sie 97% Wirkungsgrad-Daten. Diese Zahl ist jedoch bei voller Geschwindigkeit, aber in Wirklichkeit ist die Geschwindigkeit variabel, und die Effizienz nimmt mit einer Verringerung der Geschwindigkeit signifikant ab, was im Betriebszyklus der realen Welt geschieht, und Hersteller übersehen dies leise. Dies ist ähnlich wie die Tatsache, dass Automobilhersteller nur den Kraftstoffverbrauch mit der besten Geschwindigkeit zitieren, ohne die tatsächlichen Daten der Stadtlinien zu erwähnen.
Um Energieverschwendung zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern, muss das Zerkleinern schnell und schnell von geschlossen auf offen oder von offen auf geschlossen übergehen. Denn während der Schaltzeit, in der der Transistor weder ein- noch ausgeschaltet wird, verbraucht er viel Strom, was den Großteil des Energieverlusts ausmacht.
