一套專利技術(shù)使氮化鎵首次在20兆赫的頻率下工作而不會出現(xiàn)過熱或射頻問題，為氮化鎵開辟了廣闊的新應(yīng)用領(lǐng)域

QPT有限公司是一家專注于提高電氣效率的清潔技術(shù)公司，它是第一家創(chuàng)造出所需技術(shù)的公司，使GaN在大功率、高電壓、使用硬開關(guān)的應(yīng)用（如HVAC和機器人的電機驅(qū)動系統(tǒng)）中的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100kHz直至20MHz的電流限制。這項顛覆性的技術(shù)開辟了GaN市場的這一重要部分，而目前沒有人有解決方案來解決這個問題。見https://www.q-p-t.com/video-the-inconvenient-truth-about-gan

圖1 QPT創(chuàng)始人兼CEO Rob Gwynne和qGaN模塊

(資料圖片僅供參考)

氮化鎵晶體管對下一代電力電子的重要性在于其能夠在超高頻率下工作，以實現(xiàn)開啟和關(guān)閉。緩慢的轉(zhuǎn)換會浪費能源，因為在晶體管既不開啟也不關(guān)閉的開關(guān)時間內(nèi)，它要耗散大量的功率，這就造成了能量損失和過熱問題。開關(guān)速度越高，過渡的時間就越短，能量損失就越少。GaN可以以1-2ns的速度從開啟過渡到關(guān)閉，而Si和SiC晶體管為20-50ns。

然而，在高電壓、高功率的應(yīng)用中，GaN的實際極限是100kHz，超過這個極限，過熱和射頻干擾的問題就會變得很嚴(yán)重。目前的解決方案是將氮化鎵的頻率控制在100kHz以下，這意味著其性能與碳化硅相似，而且使用氮化鎵沒有任何好處，因為它不能在高開關(guān)速度或頻率下運行，而實際上它能節(jié)省功率。

QPT的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Rob Gwynne解釋說："電源工程師專注于成為一個領(lǐng)域的專家，他們已經(jīng)開發(fā)了在10-100Khz開關(guān)下工作的技能和設(shè)計方法，而這正是Si和SiC晶體管工作的地方。我能夠以射頻工程師的身份來看待這個問題，并創(chuàng)建一個解決方案，使氮化鎵晶體管能夠在其高達20MHz的全部潛力下運行，并具有納秒級的開關(guān)，提供更好的操作精度，而沒有射頻干擾問題或過熱，從而首次實現(xiàn)其承諾的效率。"

圖2 SiC、GaN和QPT控制的GaN的比較

QPT將其技術(shù)突破整合到兩個模塊中，以便客戶能夠以最小的努力和對現(xiàn)有設(shè)計的改動輕松實現(xiàn)。qGaN?模塊包含一個650V的GaN晶體管，并配有該公司的qDrive?，這是世界上最快、最準(zhǔn)確、分辨率最高、低抖動的隔離GaN晶體管柵極驅(qū)動。第二個模塊是qSensor?，它結(jié)合了該公司的ZEST?和qSense?技術(shù)。它提供了傳感和控制，使GaN首次在超高頻下被驅(qū)動。

此外，QPT還開發(fā)了WisperGaN?結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其中包括一個參考設(shè)計，說明如何將模塊和輔助電子器件組裝在一個法拉第籠中，從而不存在加熱或射頻問題。由此產(chǎn)生的解決方案釋放了氮化鎵在超高頻率下工作的能力，與必須在更低頻率下工作的現(xiàn)有解決方案相比，可減少80%的功率使用。

第一個qGaN模塊（Q650V15A-M01）將處理15A RMS電流，驅(qū)動380V三相電機。路線圖將有qGaN模塊來處理各種不同的功率負(fù)載，以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。與其他QPT技術(shù)模塊一起，可以根據(jù)參考設(shè)計輕松組裝交鑰匙解決方案。該參考設(shè)計可以直接替換現(xiàn)有VFD的功率級，而不需要EMC或熱冷卻方面的任何專業(yè)技術(shù)。

圖3 QPT使用其模塊的VFD參考設(shè)計，前景是一個qGaN模塊。

"Rob Gwynne解釋說："現(xiàn)有系統(tǒng)的其他部分，如微處理器和軟件棧保持不變。Rob Gwynne解釋說："這使得升級成為一個真正的即插即用的解決方案，它的好處是需要更少的電力，所以它在幾周內(nèi)就能有效地收回成本。此外，還有進一步的節(jié)省，因為新的BOM比現(xiàn)有的解決方案要少，因為它不需要外部過濾器。想從目前的硅解決方案升級到更高的功率效率的公司，可以跳過內(nèi)部開發(fā)SiC解決方案的麻煩，直接使用我們未釋放的GaN解決方案。將80%左右的VFD節(jié)電與電機使用結(jié)合起來，可使總體用電量減少10%左右，在電機經(jīng)常處于低速狀態(tài)的應(yīng)用中，這種情況會增加，因為目前的解決方案效率很低"。

該公司估計，其新技術(shù)能夠提供顯著的電力節(jié)約的高壓、大功率應(yīng)用市場有一個3650億美元的總可尋址市場（TAM）。其中的一個關(guān)鍵部分是暖通空調(diào)，特別是熱泵，正在世界各地成倍地部署，因此該市場將繼續(xù)增加。Rob Gwynne總結(jié)說："電動機占全球用電量的45%，我們的技術(shù)可以使它們更有效率，這意味著更少的二氧化碳排放，這有助于應(yīng)對氣候變化。"

圖4顯示了典型的VFD效率如何隨著電機速度的下降而急劇下降并浪費能源，這與QPT技術(shù)不同。

變頻驅(qū)動器(VFDs)

關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域是電機驅(qū)動的控制電子裝置，其高效率在節(jié)約能源方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。市場研究人員估計，每年新增110億臺電動機，占總電能使用量的45%，因此，更高效的電動機控制可以為全球節(jié)約大量能源并減少二氧化碳的產(chǎn)生。

VFD的工作原理是對輸入的電源進行切分，以產(chǎn)生一個可以改變的頻率，從而調(diào)整電機的速度。每次斬波時都會有能量損失，目前，制造商認(rèn)為這是最小的，因此他們引用了97%的效率數(shù)字。然而，這個數(shù)字是在全速狀態(tài)下的，但在現(xiàn)實中，速度是變化的，效率隨著速度的下降而明顯下降，這就是在現(xiàn)實世界的運行周期中發(fā)生的情況，但被制造商悄悄地忽略了。這類似于汽車制造商只引用最佳速度下的燃料使用量，而不提及城市循環(huán)的實際數(shù)字。

為了減少能源浪費，從而更有效率，斬波器需要快速，盡可能快地從關(guān)到開或從開到關(guān)的過渡。這是因為，在晶體管既不開啟也不關(guān)閉的開關(guān)時間內(nèi)，它正在耗散大量的功率，這占了大部分的能量損失。

采用QPT技術(shù)的氮化鎵晶體管現(xiàn)在能夠在高達20MHz的頻率下運行，以提供1-2ns的超快開關(guān)，而氮化鎵在被限制在100KHz以下以避免發(fā)熱和EMC問題時，則為20-50ns。因此，它們在這個高能量損失區(qū)域幾乎沒有任何時間，因此，它們在將直流電切成可變頻率的交流電以驅(qū)動整個不同速度范圍內(nèi)的電機時浪費的能量非常少。

請看視頻：https://www.q-p-t.com/qgan-module-technical-video-overview

關(guān)于QPT有限公司

QPT?于2020年在劍橋成立，是一家獨立的電力電子公司，專門提供高性能、高效率和高成本效益的解決方案，以解決使用氮化鎵晶體管設(shè)計的挑戰(zhàn)。QPT?技術(shù)釋放了氮化鎵的潛力，為各種電氣設(shè)備提供了巨大的功率節(jié)省。

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