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ケンブリッジの新興企業QPTによると、シリコンや炭化ケイ素トランジスタよりもはるかに高速なGaNパワートランジスタを最大限に活用するには、RFシミュレーションを含むマイクロ波設計技術が不可欠だという。

最終組み立て、EMC スクリーンを部分的に持ち上げる

代替案は、GaNの利点が薄れるまで動作を遅くするか、目に見えない超高速のオーバーシュートやアンダーシュートがドライバー回路やスイッチングトランジスタを破壊して耐久性を危険にさらすことだ、と同社の創設者兼最高経営責任者（CEO）のロブ・グウィン氏はElectronics Weeklyに語った。

同氏は、GaN を最大限に活用する価値は十分にあると主張します。なぜなら、10 馬力モーターの VFD (可変周波数ドライブ) のサイズを、たとえば 20 リットルの IGBT 設計から、2MHz の GaN の場合は 1 リットル未満に縮小できるからです。設計 – モーターに統合できるほど小さい。

QPT は、単相および三相のハードスイッチング主電源に重点を置き、すべての RF 設計を実装する GaN ベース電源用モジュールを製造するように設定されており、経験豊富な電源設計者が高性能 GaN ベースの電源を製造できるようになります。 RF やマイクロ波の専門知識がなくても、GHz 計測器を購入しなくても設計できます。 これは、デジタル製品の設計を容易にするために CPU システムオンモジュールを使用する方法に似ています。

複数の特許に基づいて構築され、入力フィルター、トランジスタ + ドライバー モジュール (左側のハーフブリッジ アセンブリの 2 オフ)、および出力フィルターの 3 種類のモジュールが開発されました。

まずトランジスタ + ドライバ モジュールについて説明します。これは、最大 540 V の DC リンクで動作することを目的とした絶縁設計です。

2MHz スイッチングでは、特に QPT の設計ではトランジスタが 1 ～ 1.5ns でスイッチングするため、ハイサイド ゲート ドライバで非常に高いコモンモード過渡現象が発生します。

「1.5nsで540Vをスイッチングすると、ほとんどの駆動トランスの静電容量が通過し、ドライバーが破壊されてしまいます」とGwynne氏は述べた。 「私たちが特許を取得した当社の RF トランスは、漏れインダクタンスが非常に低く、巻線間の寄生容量が計り知れないほど低く、600 ～ 700V/ns に耐えることができますが、問題ありません。」

スイッチング モジュールは、ハーフブリッジのハイサイドまたはローサイドで使用されるように設計されているため、3 相ブリッジでは 6 つとなります。

内部では、650V パワー スイッチング トランジスタは GaN Systems 製、3GHz GaN プリドライバ トランジスタは EPC 製で、多くの信号がインピーダンス整合された伝送線路を通過します。

モジュール内のサポート回路の多くは、この第一世代モジュール (Gwynne が説明する概念実証) のディスクリート コンポーネントで実装されており、サイズは約 30 x 30 x 25 mm です。 Gen2 では、すでにパイプラインにある ASIC が個別のコンポーネントの多くを取り除いたときに、これを約 20x20x6mm に縮小します。

入力から出力までの伝播遅延は 3ns と非常に速く、数百ボルトをスイッチングしながら TTL ロジックよりも高速であり、「ばらつきはピコ秒単位で測定される」とグウィン氏は述べ、上側と下側の PWM 入力間に必要なデッドバンドはわずか 1 秒であると付け加えました。数ナノ秒。

上で述べたように、これはハードスイッチング PSU 用です。GaN の本来の約束の 1 つは、はるかに高い周波数で複雑なソフトスイッチング シリコン設計の 90 秒台の高い効率に匹敵することができるため、インダクタとしてはるかに小さなエンクロージャで実現できることです。そしてコンデンサは周波数が増加するにつれて小さくなります。

ただし、ナノ秒のハード スイッチングには潜在的に恐ろしい EMC 問題が伴います。そのため、QPT は専門の入力および出力フィルター モジュールも提供しています。

ハーフブリッジごとの出力フィルタを例に挙げると、Gwynne の目標は、経験豊富なシリコン PSU 設計者が従来の L および C を使用して扱うことができない、GHz から約 10MHz までのすべての周波数を制御することです。

「これは非常に高級なマイクロ波パワーフィルターです」と彼は言いました。 「非常に特殊で設計は大変でしたが、製造単価は低めです。」 占有面積は約 1cm3 で、補助 PCB に取り付ける必要があります (PCB は見えているだけです)トップ画像）。

次に、PSU 設計者は、残りの EMC を処理する外部 LC フィルタを作成します (図の右側の灰色のボックスで表されています)。真ん中の画像)、モーターに必要な 50/60Hz (または CNC マシンのモーターに数 kHz) を渡します。GaN VFD の基本周波数は 2MHz であるため、グウィンの 25kHz の従来型 VFD の例に比べて、フィルターは物理的に小さくなります。そしてコストも低い、と彼は主張する。

モジュールはヒートシンクにボルトで固定されるように設計されており、付属コンポーネントはモジュールの反対側の PCB に取り付けられます (画像を参照)。 QPT は、専門的な相互接続だけでなく、PCB およびその他の構造の設計ルールも作成しています。

高周波電流インパルスが引き出されるローカル入力リザーバ コンデンサは、相互接続基板上の補助コンポーネントの 1 つであり、OEM はこれに外部低周波リザーバ コンデンサを追加します。

「当社のガイドラインに従えば、伝導性や放射性の問題もなく EMC を問題なく通過できるでしょう」と Gwynne 氏は主張しました。

多くのことが約束されていますが、GaN トランジスタは実際の自動車製品や他の高信頼性最終製品には登場していません。 それらは本質的に信頼できないものなのでしょうか?

グウィン氏によると、それらはそれほど信頼できないという認識があるが、これはデータに基づいたものではないという。

同氏は、シリコンや炭化ケイ素の歴史がなければ、この技術は成熟していないため、確固たる結論を下すのに十分なデータが入手できないと続けた。

この認識に寄与している可能性があるのは、デバイスの仕様を超えた超高速のオーバーシュートおよびアンダーシュート スパイクです。これらのスパイクは、簡単に生成されますが、簡単には確認できず、適切な機器と正しいプローブ技術がなければ正確に測定できません。

QPTは「10年間の開発作業を経て2019年に設立され、本社は英国ケンブリッジにある。研究開発と生産はポルトガルに、生産エンジニアリングと研究所はポーランドにある。生産ラインは、 Gen2 製品は約 100,000 ユニットまで供給され、その後は組立住宅も検討されます。