قوة الجهد الزائد لبوابة GaN وتطبيقات نقل الطاقة اللاسلكية

في هذه المقالة ، سنسلط الضوء على عرضين تقديميين من مؤتمر APEC 2023 الأخير. تسلط هذه المحادثات الضوء على التقدم الذي أحرزته تقنية GaN power HEMT في متانة الجهاز وتلبية احتياجات التطبيقات الجديدة.

بوابة GaN HEMT المتانة الزائدة

قدم بيكسوان وانج من مركز أنظمة إلكترونيات الطاقة (CPES) ، ومعهد فيرجينيا بوليتكنيك وجامعة الولاية ، ودانييل بوبا من Cambridge GaN Devices (CGD) “A GaN HEMT مع قوة استثنائية للجهد الزائد للبوابة” ¹.

تحتوي العديد من وحدات HEMT من GaN للوضع الإلكتروني المصنوع من بوابة Schottky p-gate على جهد عتبة منخفض (Vt) ، عادةً أقل من 2 فولت ، وأيضًا هامش منخفض لمحرك جهد البوابة (V_ع). في العديد من تطبيقات تحويل الطاقة بالتبديل الصلب (HSW) ، يمكن أن يؤدي محاثة حلقة البوابة الطفيلية ، أو ردود فعل ميلر من تبديل الصرف ، أو الحديث المتبادل بين مسارات الإشارة والطاقة إلى V كبيرة_ع تجاوز. يمكن أن يساعد تحديد جهد انهيار البوابة الديناميكي في تقييم حدود تجاوز البوابة أحادية الحدث العابرة أثناء تبديل الطاقة.

قامت شركة CGD بتسويق أجهزة GaN HEMT المصنفة 650 فولت مع حس متكامل ومتجانسة وتحسينات محرك البوابة وميزات حماية تسمى ICeGaN ™. يظهر تمثيل تخطيطي مبسط لشريحة ICeGaN ™ في الشكل 1.

يوفر Auxiliary-HEMT الموضح في الشكل 1 وظائف مهمة لرفع Vt للجهاز ، فضلاً عن كونه جزءًا من دائرة محدد الجهد التي تسمح برفع جهد البوابة الخارجية إلى 20 فولت ، على غرار محرك الأقراص Si أو SiC MOSFETs ، مع الحد داخليًا من الجهد المرئي على power-HEMT إلى 5.5 فولت أو أقل ، اعتمادًا على درجة الحرارة. تعمل دائرة المشبك ميلر الجديدة على التخفيف من حدة V._ع مواطن الخلل من جهد الصرف العالي (V_DS) التبديل عن طريق توفير مسار مقاومة منخفضة عندما يكون الجهاز في وضع التشغيل.

يتم استخدام عدة طرق لاختبار متانة بوابة جهاز GaN HEMT. وتشمل هذه إجهاد بوابة DC ثابتًا مع V_DS تتحقق اختبارات ملاءمة الشحن المؤرضة من المقاومة الديناميكية على الحالة (R_DSON) الانجرافات (الموضحة في JEDEC JEP-182) ، وكذلك تبديل اختبارات العمر المتسارع (SALT ، على النحو المبين في JEDEC JEP-180). تستخدم الاختبارات التي أجراها CPES و CGD دائرة طنين RLC لإنشاء V قابل للضبط_ع تجاوز. يوضح الشكل 2 مخطط الدائرة على اليسار. يتم تبديل المفتاح السريع S1 (GaN HEMT EPC2214 منخفض الجهد) بإشارة PWM. أثناء المرحلة 2 ، عندما يكون S1 متوقفًا ، يدفع المحث Lg ارتفاعًا في الجهد الزائد في بوابة جهاز GaN HEMT المراد اختباره (DUT). تم إجراء الاختبارات إما بالحمل الاستقرائي ، كما هو موضح في الشكل 2 ، أو الصرف / المصدر المختصرة. يؤدي ارتفاع الجهد الزائد على DUT إلى رنين قوي يؤدي إلى تشغيله أثناء هذه الحالات العابرة.

تم قياس أداء جهاز CGD ICeGaN ™ 650V مقابل جهاز منافس للوضع الإلكتروني (يسمى SP_HEMT) في الجدول 1. يوضح هذا الجدول أن ICeGaN ™ نجت من تجاوز 72 فولت HSW عند 25 درجة مئوية ، أعلى بكثير من الجهاز المنافس.

تطبيق نقل الطاقة اللاسلكي GaN HEMT (WPT)

قدم Paul Wiener ، GaN Systems ، “كيف تعمل GaN على تطوير تكنولوجيا الطاقة اللاسلكية ،” ². يعتمد الشحن اللاسلكي التقليدي Qi على تردد من 110 إلى 205 كيلو هرتز لمستويات الطاقة المنخفضة (حتى 5 واط) و 80 كيلو هرتز -300 كيلو هرتز لتطبيقات الطاقة المتوسطة. بالنسبة لمسافة فصل معينة ، تتناسب كفاءة نقل الطاقة اللاسلكية مع عوامل الجودة (Q1 ، Q2) لملفات الإرسال والاستقبال. وتعتمد هذه على التردد ، مع تحقيق أقصى عوامل Q في النطاق 5-15 MHz ، كما هو موضح في الشكل 3. يتيح التبديل عالي التردد الممكن في GaN HEMTs هذا WPT الأكثر كفاءة وعالي التردد ، مما يؤدي إلى العديد من المزايا. وفيما يلي بعض من هذه:

• يمكن نقل مستويات طاقة أعلى (> 1000 واط) مقارنة بـ 15 واط ممكن عند الترددات التقليدية كيلو هرتز
• حرية مكانية أعلى في جميع المحاور الثلاثة
• أرق هوائي ثنائي الفينيل متعدد الكلور ومكونات الإرسال / الاستقبال. يمكن أن يفيد الوزن المنخفض تطبيقات المركبات الكهربائية مثل الشحن داخل المقصورة للإضاءة والمقاعد الكهربائية وما إلى ذلك.
• يتيح الفصل الأكبر بالمحور z وضع جهاز الإرسال تحت الأسطح وخلف الجدران ، مما يجعل التثبيت أبسط كثيرًا لكاميرات الأمان الخارجية أو تمكين شحن الأدوات الكهربائية داخل صندوق شحن موضوع داخل السيارة.
• لا تسخن الأجسام المعدنية.

أنشأت أنظمة GaN عدة مجموعات تقييم لمرحلة إرسال WPT عبر نطاق واسع من مستويات الطاقة ، كما هو موضح في الشكل 4. وتتاح التصاميم المرجعية لملفات شبكة مطابقة المعاوقة (IMN في الشكل 4) من Airfuel.org ، وهو اتحاد عالمي الترويج لـ WPT.

يسمح WPT الأكثر كفاءة مع GaN بتبسيط التطبيقات الحالية ، فضلاً عن تمكين التطبيقات الجديدة ، كما هو موضح في الشكل 5. تتضمن بعض الأمثلة شحن 200 واط للدراجات البخارية الإلكترونية ، حيث تعمل مرونة توجيه السكوتر على اللوحة على تبسيط تطبيق. يعرض شاحن WPT بقوة 7 كيلو وات نهاية الطاقة العالية ، حيث يمكن استخدام فجوة 11 سم بين لوحة الشحن وهوائي الاستقبال في السيارة. يمكن لهذه القوى الأعلى أن تقلل بشكل كبير من أوقات الشحن مقارنة بشواحن WPT التقليدية عند 85 كيلو هرتز. من المتوقع أن يتجاوز سوق التوصيل الإلكتروني للطائرات بدون طيار وسوق الروبوتات للاستخدام المهني أو الشخصي 100 مليار دولار بحلول عام 2030. ومن المتوقع أن يلعب WPT القائم على GaN دورًا كبيرًا في هذا التطبيق.

مراجع

¹ وانج وآخرون. آل. ، “A GaN HEMT مع قوة استثنائية للجهد الزائد للبوابة ،” مؤتمر APEC 2023 ، مارس 2023.
² P. Wiener ، “How GaN is Advancing Wireless Power Technology” ، مؤتمر APEC 2023 ، مارس 2023.

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة / العمليات في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com