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(huì)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(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(xiàng)顛覆性的技術(shù)開辟了GaN市場(chǎng)的這一重要部分，而目前沒有人有解決方案來解決這個(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉。緩慢的轉(zhuǎn)換會(huì)浪費(fèi)能源，因?yàn)樵诰w管既不開啟也不關(guān)閉的開關(guān)時(shí)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(shí)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(shí)際極限是100kHz，超過這個(gè)極限，過熱和射頻干擾的問題就會(huì)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?yàn)樗荒茉诟唛_關(guān)速度或頻率下運(yùn)行，而實(shí)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(gè)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(jì)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(gè)問題，并創(chuàng)建一個(gè)解決方案，使氮化鎵晶體管能夠在其高達(dá)20MHz的全部潛力下運(yùn)行，并具有納秒級(jí)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(shí)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(gè)模塊中，以便客戶能夠以最小的努力和對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的改動(dòng)輕松實(shí)現(xiàn)。qGaN?模塊包含一個(gè)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(dòng)的隔離GaN晶體管柵極驅(qū)動(dòng)。第二個(gè)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(dòng)。

此外，QPT還開發(fā)了WisperGaN?結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其中包括一個(gè)參考設(shè)計(jì)，說明如何將模塊和輔助電子器件組裝在一個(gè)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(gè)qGaN模塊（Q650V15A-M01）將處理15A RMS電流，驅(qū)動(dòng)380V三相電機(jī)。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(jì)輕松組裝交鑰匙解決方案。該參考設(shè)計(jì)可以直接替換現(xiàn)有VFD的功率級(jí)，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(jì)，前景是一個(gè)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(jí)成為一個(gè)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(jìn)一步的節(jié)省，因?yàn)樾碌腂OM比現(xiàn)有的解決方案要少，因?yàn)樗恍枰獠窟^濾器。想從目前的硅解決方案升級(jí)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(jī)使用結(jié)合起來，可使總體用電量減少10%左右，在電機(jī)經(jīng)常處于低速狀態(tài)的應(yīng)用中，這種情況會(huì)增加，因?yàn)槟壳暗慕鉀Q方案效率很低"。

該公司估計(jì)，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(chǎng)有一個(gè)3650億美元的總可尋址市場(chǎng)（TAM）。其中的一個(gè)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(chǎng)將繼續(xù)增加。Rob Gwynne總結(jié)說："電動(dòng)機(jī)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(duì)氣候變化。"

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

變頻驅(qū)動(dòng)器(VFDs)

關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域是電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)研究人員估計(jì)，每年新增110億臺(tái)電動(dòng)機(jī)，占總電能使用量的45%，因此，更高效的電動(dòng)機(jī)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(duì)輸入的電源進(jìn)行切分，以產(chǎn)生一個(gè)可以改變的頻率，從而調(diào)整電機(jī)的速度。每次斬波時(shí)都會(huì)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(gè)數(shù)字是在全速狀態(tài)下的，但在現(xiàn)實(shí)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(shí)世界的運(yùn)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(shí)際數(shù)字。

為了減少能源浪費(fèi)，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?yàn)?，在晶體管既不開啟也不關(guān)閉的開關(guān)時(shí)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(dá)20MHz的頻率下運(yùn)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(shí)，則為20-50ns。因此，它們?cè)谶@個(gè)高能量損失區(qū)域幾乎沒有任何時(shí)間，因此，它們?cè)趯⒅绷麟娗谐煽勺冾l率的交流電以驅(qū)動(dòng)整個(gè)不同速度范圍內(nèi)的電機(jī)時(shí)浪費(fèi)的能量非常少。

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關(guān)于QPT有限公司

QPT?于2020年在劍橋成立，是一家獨(dú)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(jì)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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