ترددات تحويل الميجاهرتز تعزز أداء الجاليوم
من المعروف أن نيتريد الغاليوم (GaN) يتمتع بقدرات تحويل عالية التردد ممتازة بسبب حركته العالية للإلكترون مقارنة بالأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون. تعتبر ترانزستورات GaN ذات أهمية قصوى في إلكترونيات الطاقة لأنها تعمل بترددات تحويل عالية ، مما ينتج عنه مغناطيسات أصغر وتحسين كفاءة الطاقة.
تُستخدم ترانزستورات القدرة GaN بشكل روتيني عند تبديل الترددات التي تتراوح من حوالي 100 كيلو هرتز إلى بضعة ميغا هرتز في تصميمات الجهد المنخفض. في تطبيقات الجهد العالي ، بخلاف تصميمات الرنين المعقدة ، هناك عدد قليل جدًا من الأمثلة على أجهزة طاقة GaN المستخدمة فوق 100 كيلو هرتز نظرًا للصعوبات التي تفرضها الإدارة الحرارية وانبعاثات التردد اللاسلكي التي تسبب تحديات EMC لا يمكن التغلب عليها في كثير من الأحيان.
ومع ذلك ، فإن أحد الأمور المؤكدة هو أن التحولات البطيئة تهدر الطاقة. خلال الوقت الذي لا يكون فيه الترانزستور قيد التشغيل أو الإيقاف ، فإنه يقوم بتبديد الطاقة ، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة والمشكلات الحرارية. يتم استهلاك وقت أقل في الانتقال ، ويتم فقدان طاقة أقل مع زيادة سرعة التحويل. يمكن أن تنتقل ترانزستورات GaN من on إلى off في 1-2ns ، بينما تتطلب ترانزستورات Si و SiC 20-50ns.
ستعرض هذه المقالة التكنولوجيا التي طورتها شركة QPT ، والتي تهدف إلى تشغيل ترانزستورات الطاقة GaN بترددات تصل إلى 20 ميجاهرتز ، أعلى بكثير من تلك التي يمكن تحقيقها باستخدام التكنولوجيا الحالية اليوم.
تقنية QPT
يقع المقر الرئيسي لشركة QPT في كامبريدج بالمملكة المتحدة ، وهي أول شركة تقوم بتطوير التقنيات المطلوبة لتمكين GaN من العمل على ترددات تتجاوز 100 كيلو هرتز بطاقة عالية. تتطلب تطبيقات الجهد العالي هذه تبديلًا ثابتًا ، مثل أنظمة محرك المحرك للتدفئة والتهوية وتكييف الهواء ، والأتمتة ، والمزيد. تتيح مجموعة تقنيات QPT الحاصلة على براءة اختراع تشغيل GaN لأول مرة عند ترددات تصل إلى 20 ميجاهرتز دون ارتفاع درجة الحرارة أو تداخل التردد اللاسلكي ، مما يؤدي إلى إنشاء منطقة تطبيق جديدة واسعة لـ GaN.
وفقًا لـ QPT ، في تطبيقات اليوم ذات الجهد العالي والطاقة العالية ، تمتلك GaN حدًا عمليًا للتردد الأعلى يبلغ حوالي 100 كيلو هرتز ، وبعد ذلك يصبح ارتفاع درجة الحرارة وتداخل التردد اللاسلكي مشكلة. الحل الحالي هو إعادة الضغط على GaN إلى أقل من 100 كيلو هرتز ، مما يعني أن الأداء مشابه لكربيد السيليكون. لا توجد مزايا لاستخدام GaN نظرًا لأنه لا يعمل بسرعات أو ترددات تحويل عالية ، حيث يوفر في الواقع توفيرًا للطاقة.
“يعمل العديد من الأشخاص بالفعل على GaN بجهد منخفض في محولات DC-DC وحتى في تطبيقات الجهد العالي ذات الأنظمة الرنانة. لدينا مليارات المحركات التي تعمل بمحولات VFD القائمة على محولات الطاقة IGBT أو السيليكون أو SiC ، وهي غير فعالة. من المحتمل أن تحل GaN محل تلك المفاتيح ، مما يقلل الطاقة المهدرة بنسبة 80٪ “، كما قال روب جوين ، مؤسس QPT ومديرها التنفيذي.
يتم توفير تقنية QPT في وحدتين ، بحيث يمكن للمستخدمين تشغيلها بسرعة ومع بعض التعديلات على إعداداتهم الحالية:
- qGaN: تشتمل هذه الوحدة على ترانزستور GaN بقوة 650 فولت ومحرك qDrive ™ الخاص ، وهو محرك بوابة GaN سريع ودقيق معزول بدقة عالية وزمن انتقال منخفض.
- qSensor: يوفر الاستشعار والتحكم اللذين يمكّنان GaN من العمل على ترددات عالية جدًا.
يوضح الشكل 1 مقارنة بين الأجهزة التجارية الرائدة التي يتم التحكم فيها بواسطة QPT و GaN و SiC. كما نرى ، تظل خسائر GaN الخاصة بـ QPT منخفضة وثابتة عمليًا في جميع أنحاء نطاق التردد 100 كيلو هرتز – 2 ميجا هرتز. تكون خسائر أجهزة SiC التجارية أعلى حتى عند ترددات التحويل المنخفضة ، بينما في الترددات الأعلى ، تزيد الحلول الحالية SiC و GaN من الخسائر بسبب قيود الإدارة الحرارية.
بالإضافة إلى ذلك ، طورت QPT نظام البناء WisperGaN (الشكل 2) ، والذي يتضمن تصميمًا مرجعيًا لكيفية تجميع الوحدات والإلكترونيات المساعدة في قفص فاراداي لمنع التسخين وتداخل التردد اللاسلكي. يمكّن الحل الناتج GaN من العمل بترددات عالية جدًا ويقلل من استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 80 بالمائة مقارنة بالحلول الحالية التي يجب أن تعمل بترددات أقل بكثير.
يمكن لوحدة qGaN الأولى (Q650V15A-M01) التعامل مع تيار 15A RMS أثناء قيادة محركات ثلاثية الطور 380V. ستشمل خريطة الطريق وحدات qGaN القادرة على التعامل مع متطلبات الطاقة المتنوعة لتلبية احتياجات مجالات التطبيق المختلفة.
“سوف يستغرق الأمر منا ثلاث أو أربع سنوات للوصول إلى السوق. لكن يجب أن نبدأ الآن – كلما بدأنا مبكرًا ، كلما حصلنا على شيء مبكرًا. مع تقدمنا ، لا يوجد سبب مادي يمنعنا من الحصول على 1200 فولت من GaN “، قال جوين.
بالاقتران مع وحدات تقنية QPT الأخرى ، يمكن تجميع الحلول الشاملة بسهولة وفقًا للتصميم المرجعي الموضح في الشكل 2. التصميم المرجعي هو بديل مباشر لمرحلة الطاقة الخاصة بـ VFDs الموجودة ولا يتطلب أي خبرة في التوافق الكهرومغناطيسي أو التبريد الحراري.
“حاليًا ، يجب عليك استخدام طوبولوجيا متعددة المستويات لتصميم محول جهد عالي نظرًا لوجود أجهزة GaN مصنفة 650 فولت فقط. لقد بدأنا بالفعل التعاون مع الشركات المهتمة ولدينا أصحاب مصلحة في سوق السيارات الكهربائية. نحن نؤمن بأن تقنيتنا ستصبح ناضجة خلال أربع أو خمس سنوات ، مما سيمكننا من تقديم أجهزة 1000-1200 فولت “، قال جوين.
أولها شركة GaN Systems Inc. التي وقعت للتو مذكرة تفاهم مع QPT للتحقيق في إمكانيات تطوير تقنياتها ، مما أدى إلى زيادة الأداء والمزيد من التحسينات التي من شأنها تعزيز نطاق قيادة المركبات الكهربائية. أوضح Gwynne ، “تنتج أنظمة GaN أجهزة GaN ذات القدرة الأعلى أداءً 650 فولت ، وهذا يسمح لنا بتحقيق أعلى كفاءة عند دمجها مع تقنيتنا. كلما كانت كفاءة استخدام الطاقة أفضل ، زاد نطاق EV. “
وأضاف جيم ويثام ، الرئيس التنفيذي لشركة GaN Systems Inc ، “نحن معجبون بالتقنيات التي طورتها QPT. لقد أطلقوا العنان للتحسين الوظيفي في الأداء ، مما أدى إلى حل GaN مُحسّن للغاية لسوق المركبات الكهربائية. بالشراكة ، يمكن للترانزستورات وتقنية QPT من GaN Systems أن تغير سوق GaN بشكل كبير “.
محركات التردد المتغير (VFDs)
VFD هي تقنية أساسية لمحركات المحركات ، حيث تلعب الكفاءة العالية دورًا رئيسيًا في توفير الطاقة. تعمل VFDs عن طريق تقطيع الطاقة الواردة إلى تردد يمكن تغييره للتحكم في سرعة المحرك. يعتقد المصنعون حاليًا أن فقد الطاقة أثناء التقطيع لا يكاد يذكر. ومع ذلك ، يحدث هذا فقط عند السرعة القصوى ، في حين تنخفض الكفاءة بشكل كبير مع انخفاض السرعة ، وهذا هو الحال في دورة التشغيل في العالم الحقيقي.
يظهر هذا السلوك في الشكل 3 ، حيث تنخفض كفاءة VFD النموذجية بشكل كبير ، وتهدر الطاقة مع انخفاض سرعة المحرك. هذا لا يحدث مع QPT GaN ، الذي يحافظ على كفاءة عالية. بالكاد تتغير كفاءة GaN الخاصة بـ QPT ، مما يوفر طاقة كبيرة في ظروف التشغيل الواقعية.
“تقنيتنا هي VFD. لدينا الترانزستورات لصنع نصف جسر. قال جوين إن هناك فلاتر مدخلات ومخرجات و RF ، وكلها مدرجة في تصميم مرجعي يمنحك بديلاً مباشرًا لمراحل طاقة VFD القائمة على IGBT أو MOSFET “.
علاوة على ذلك ، يتوافق حل QPT مع إشارات PWM ، وبما أنه لا توجد انبعاثات مشعة ، فإنه لا يتأثر بالتوافق الكهرومغناطيسي والتعبئة والمشكلات الحرارية.
“بصراحة ، نحن بحاجة إلى العديد من الاختبارات. سنقوم بإثبات المفهوم مع ثلاثة أو أربعة من المصنعين والعملاء الرئيسيين. بالتوازي مع ذلك ، سنقوم بإعادة هندسة وحداتنا لأنه يجب أن تكون أصغر وأرخص ثمناً ، وسنقوم بكل اختبارات ضمان الجودة والموثوقية المطلوبة “، قال جوين.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
