뉴스 : 마이크로
24 월 2023
2020년에 설립된 영국 캠브리지의 QPT(Quantum Power Transformation)는 GaN이 고전력, 고전압에서 기존의 100kHz 한계를 넘어 최대 20MHz까지 작동할 수 있도록 하는 데 필요한 기술을 개발한 최초의 회사라고 주장합니다. HVAC용 모터 구동 시스템, 로봇 공학 등과 같은 하드 스위칭을 사용하는 애플리케이션. 이 기술은 현재 누구도 해결할 수 있는 솔루션이 없는 GaN 시장의 중요한 부분을 열어준다고 회사는 덧붙였습니다.
그림 1: qGaN 모듈을 사용하는 QPT의 창립자 겸 CEO Rob Gwynne.
고전압, 고전력 애플리케이션에서는 과열 및 RF 간섭 문제가 너무 커질 수 있는 GaN의 실제 제한이 100kHz입니다. 기존 솔루션은 GaN을 100kHz 미만으로 다시 조절하는 것입니다. 이는 성능이 탄화규소와 유사하고 GaN이 실제로 전력 절감을 제공하는 높은 스위칭 속도나 주파수에서 실행되지 않기 때문에 GaN을 사용하는 데 따른 이점이 없다는 것을 의미합니다.
설립자이자 CEO인 Rob Gwynne은 "전력 엔지니어는 한 분야의 전문가가 되는 데 중점을 두고 있으며 실리콘 및 SiC 트랜지스터가 작동하는 10~100kHz 스위칭에서 작동하는 기술과 설계 접근 방식을 개발했습니다."라고 말합니다. “저는 RF 엔지니어로서 문제를 살펴보고 GaN 트랜지스터를 나노초 스위칭을 통해 최대 20MHz의 최대 잠재력으로 실행하여 RF 간섭 문제나 과열 없이 더 나은 작동 정밀도를 제공할 수 있는 솔루션을 만들 수 있었습니다. 처음으로 약속된 효율성을 제공합니다.”라고 그는 덧붙입니다.
그림 2: SiC, GaN 및 QPT 제어 GaN 비교.
QPT는 고객이 최소한의 노력과 기존 설계 변경만으로 쉽게 구현할 수 있도록 기술을 두 개의 모듈에 통합했습니다. qGaN 모듈에는 세계에서 가장 빠르고 정확하며 최고 해상도, 저지터 절연 GaN 트랜지스터 게이트 드라이브라고 주장되는 회사의 qDrive와 함께 650V GaN 트랜지스터가 포함되어 있습니다. 두 번째 모듈은 회사의 ZEST와 qSense 기술을 결합한 qSensor로, GaN이 최초로 초고주파에서 구동될 수 있도록 하는 감지 및 제어 기능을 제공합니다.
또한 QPT는 가열이나 RF 문제가 없도록 모듈과 보조 전자 장치를 패러데이 케이지에서 함께 조립할 수 있는 방법에 대한 참조 설계를 포함하는 WisperGaN 구성 시스템을 개발했습니다. 결과적인 솔루션은 이제 초고주파에서 작동할 수 있는 GaN의 기능을 잠금 해제하고 훨씬 더 낮은 주파수에서 작동해야 하는 기존 솔루션에 비해 전력 사용량을 최대 80%까지 줄일 수 있는 것으로 추정됩니다.
첫 번째 qGaN 모듈(Q650V15A-M01)은 15V 380상 모터를 구동하는 XNUMXA RMS 전류를 처리합니다. 로드맵에는 다양한 애플리케이션 영역 요구 사항에 맞게 다양한 전력 부하를 처리할 수 있는 qGaN 모듈이 포함됩니다. 다른 QPT 기술 모듈과 함께 턴키 솔루션은 참조 설계에 따라 쉽게 조립될 수 있다고 회사는 말합니다. 참조 설계는 EMC 또는 열 냉각에 대한 전문 지식이 필요 없이 기존 가변 주파수 드라이브(VFD)의 전력단을 즉시 대체할 수 있습니다.
“마이크로프로세서, 소프트웨어 스택 등 기존 시스템의 나머지 부분은 그대로 유지됩니다. 이를 통해 전력 소모가 적다는 이점과 함께 진정한 플러그 앤 플레이 솔루션을 업그레이드할 수 있으므로 몇 주 안에 비용을 효과적으로 회수할 수 있습니다.”라고 Gwynne은 말합니다. "게다가 외부 필터가 필요하지 않기 때문에 새로운 BOM(Bill of Materials)이 기존 솔루션보다 적기 때문에 추가 비용 절감이 가능합니다."라고 그는 덧붙입니다. “현재 실리콘 솔루션을 더욱 전력 효율적으로 업그레이드하려는 기업은 내부에서 SiC 솔루션을 개발하는 번거로움을 뛰어넘고 간단히 우리의 GaN 솔루션을 사용할 수 있습니다. 약 80%의 VFD 절전과 모터 사용량을 결합하면 전체 전력 사용량이 약 10% 감소합니다. 이는 현재 솔루션이 비효율적이며 모터가 저속에서 자주 사용되는 응용 분야에서 증가합니다.”
QPT는 신기술이 상당한 전력 절감 효과를 제공할 수 있는 고전압, 고전력 애플리케이션 시장의 총 시장 규모(TAM)가 365억 달러에 달하는 것으로 추산합니다. 그 핵심 부분은 HVAC, 특히 전 세계적으로 기하급수적으로 배포되고 있는 열 펌프이므로 TAM은 계속 증가할 것입니다. "전기 모터는 전 세계 전력 사용량의 45%를 차지합니다. 우리의 기술은 이를 더욱 효율적으로 만들 수 있으며 이는 기후 변화에 대처하는 데 도움이 되는 이산화탄소 배출을 줄여준다는 것을 의미합니다."라고 Gwynne은 말합니다.
가변 주파수 드라이브
주요 응용 분야는 모터 드라이브용 제어 전자 장치로, 높은 효율성이 에너지 절약에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 시장 연구자들은 매년 11억 개의 전기 모터가 추가되어 총 전기 에너지 사용량의 45%를 차지할 것으로 추정합니다. 따라서 보다 효율적인 모터 제어를 통해 전 세계적으로 상당한 에너지 절감 및 COXNUMX 감소 효과를 얻을 수 있습니다.2 세대.
그림 3: QPT 기술과 달리 모터 속도가 떨어지면 일반적인 VFD 효율이 어떻게 극적으로 떨어지고 에너지가 낭비되는지.
VFD는 들어오는 전력을 절단하여 모터 속도를 조정하기 위해 변경할 수 있는 주파수를 생성하는 방식으로 작동합니다. 절단이 발생할 때마다 에너지가 손실되며 현재 제조업체에서는 이것이 최소라고 생각하므로 효율성 수치는 97%라고 합니다. 그러나 이 수치는 최대 속도이지만 실제로는 속도가 떨어지면서 속도가 다양하고 효율성도 크게 떨어집니다. 이는 실제 작동 주기에서 발생하며 제조업체에서는 조용히 무시합니다(자동차 제조업체에서만 인용하는 것과 유사함). 최적의 속도로 연료를 사용하고 도시 사이클의 실제 수치는 언급하지 않음).
낭비되는 에너지를 줄이고 효율성을 높이려면 절단 작업이 가능한 한 빨리 꺼짐에서 켜짐으로, 켜짐에서 꺼짐으로 빠르게 전환되어야 합니다. 이는 트랜지스터가 켜지지도 꺼지지도 않는 스위칭 시간 동안 엄청난 양의 전력을 소비하고 이것이 에너지 손실의 대부분을 차지하기 때문입니다.
그림 4: 전경에 qGaN 모듈이 있는 모듈을 사용하는 VFD에 대한 QPT의 참조 설계입니다.
QPT 기술이 적용된 GaN 트랜지스터는 이제 최대 20MHz의 주파수에서 작동하여 1~2ns의 초고속 스위칭을 제공할 수 있습니다. 반면, 발열 및 EMC 문제를 방지하기 위해 20kHz 미만으로 제한되는 GaN의 경우 50~100ns가 가능합니다. 따라서 그들은 매우 짧은 시간 동안 에너지 손실이 높은 영역에 있으며 결과적으로 DC를 가변 주파수 AC로 절단하여 다양한 속도의 전체 범위에서 모터를 구동하는 데 에너지를 거의 낭비하지 않습니다.
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- 출처: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/may/qpt-240523.shtml
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