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Para obter o melhor dos transistores de potência GaN, que são muito mais rápidos do que os transistores de silício ou carboneto de silício, técnicas de projeto de micro-ondas, incluindo simulação de RF, são essenciais, de acordo com a startup QPT de Cambridge.

Montagem final, tela EMC parcialmente levantada

A alternativa é desacelerar a operação até que as vantagens do GaN desapareçam ou arriscar a durabilidade, já que o overshoot ultrarrápido e o undershoot destroem os circuitos do driver ou o transistor de comutação, disse o fundador e CEO da empresa, Rob Gwynne, à Electronics Weekly.

Ele argumenta que vale a pena tirar o melhor proveito do GaN, porque pode reduzir o tamanho de um VFD (inversor de frequência variável) para um motor de 10hp, por exemplo, de um projeto IGBT de 20 litros para menos de um litro para um GaN de 2MHz design – pequeno o suficiente para ser integrado ao motor.

Concentrando-se na alimentação de rede elétrica monofásica e trifásica, a QPT foi criada para fabricar módulos para fontes de alimentação baseadas em GaN que implementam todo o design de RF, permitindo que designers experientes de fontes de alimentação criem módulos de alto desempenho baseados em GaN projetos sem experiência em RF ou micro-ondas e sem comprar instrumentação de GHz. Isso é análogo ao modo como os sistemas em módulos da CPU são usados ​​para facilitar o design de produtos digitais.

Construído em torno de várias patentes, três tipos de módulos foram desenvolvidos: um filtro de entrada, um módulo transistor+driver (dois off no conjunto de meia ponte à esquerda) e um filtro de saída.

Tomando primeiro o módulo transistor+driver, é um projeto isolado destinado a operar em links CC de até 540V.

Com a comutação de 2MHz, surgem transientes de modo comum extraordinariamente altos no driver de porta do lado alto, particularmente porque o transistor comuta em 1 – 1,5 ns no design do QPT.

"A comutação de 540 V em 1,5 ns passará pela capacitância da maioria dos transformadores de acionamento e destruirá o acionador", disse Gwynne. "Nosso transformador de RF, que patenteamos, tem indutância de vazamento extremamente baixa, capacitância parasitária imensuravelmente baixa entre os enrolamentos e pode tolerar 600-700V/ns, sem problemas."

O módulo de comutação foi projetado para ser usado tanto no lado alto quanto no lado baixo de uma meia ponte – portanto, seis em uma ponte trifásica.

No interior, o transistor de comutação de energia de 650 V é da GaN Systems e os transistores pré-driver de 3 GHz GaN são da EPC, com muitos sinais viajando por linhas de transmissão de impedância combinada.

Grande parte do circuito de suporte no módulo é implementado em componentes discretos neste módulo de primeira geração – a prova de conceito como Gwynne o descreve – que mede ~ 30 x 30 x 25 mm. O Gen2 encolherá para ~ 20x20x6mm quando um asic, já em andamento, enxuga muitos dos componentes separados.

O atraso de propagação da entrada para a saída é de 3ns escaldantes - mais rápido que a lógica TTL, enquanto comuta centenas de volts, "com dispersão medida em picossegundos", disse Gwynne, que acrescentou que a banda morta necessária entre as entradas PWM superior e inferior é apenas um alguns nanossegundos.

Como mencionado acima, isso é para PSUs de comutação rígida - uma das promessas originais do GaN é que ele pode corresponder à alta eficiência dos anos 90 de designs complexos de silício de comutação suave em frequências muito mais altas - e, portanto, em gabinetes muito menores como os indutores e os capacitores encolhem com o aumento da frequência.

No entanto, com a comutação difícil de nanossegundos surge um problema de EMC potencialmente horrendo, e é por isso que a QPT também está oferecendo módulos de filtro de entrada e saída especializados.

Tomando o filtro de saída por meia ponte como exemplo, o objetivo de Gwynne é que ele controle todas as frequências que não podem ser tratadas pelo experiente designer de PSU de silício usando Ls e Cs convencionais - de GHz até cerca de 10MHz.

"Este é um filtro de energia de microondas muito sofisticado", disse ele. "É muito especial e difícil de projetar, mas seu custo por unidade na fabricação é baixo." Ele ocupa ~1cm3 e precisa ser montado no PCB auxiliar (PCB apenas visívelimagem superior).