Hoe kan een lage-kosten gate driver IC de energie-efficiëntie in variabele snelheid aandrijvingen verbeteren?

In de hedendaagse wereld is energieverbruik een centraal onderwerp, vooral in huishoudelijke en commerciële toepassingen. Aandrijvingen voor motoren, die verantwoordelijk zijn voor een aanzienlijk percentage van het totale energieverbruik, blijven ondanks technologische vooruitgangen vaak inefficiënt. Terwijl conventionele motoren die werken met een constante snelheid veel energie verspillen, kunnen variabele snelheid aandrijvingen (VSD) deze verliezen aanzienlijk verminderen. Studies hebben aangetoond dat de overstap naar VSD-technologie kan leiden tot een energiebesparing van 40-60% ten opzichte van motoren met vaste snelheid.

Een van de belangrijkste obstakels voor de adoptie van GaN in VSD's is de hoge kostprijs van de technologie. Terwijl de prestaties van GaN-superieur zijn, is de integratie ervan in commerciële producten moeilijker vanwege de hoge productiekosten. Een veelbelovende oplossing voor dit probleem is de ontwikkeling van een nieuwe gate driver IC voor e-mode GaN HEMT’s (High Electron Mobility Transistors), die de kosten van het systeem aanzienlijk kan verlagen. Deze IC biedt de benodigde aandrijvingsomstandigheden voor GaN-apparaten en maakt het mogelijk om een goedkope en efficiënte VSD-oplossing te realiseren.

Door een geïntegreerde, monolithische gate driver IC te ontwikkelen, wordt het mogelijk om de energieverliezen te reduceren en tegelijkertijd de kosten te verlagen. Dit nieuwe IC maakt de ontwikkeling van GaN-gebaseerde power stages mogelijk die tot wel 50% goedkoper zijn dan hun silicium-tegenhangers, met een gelijktijdige verlaging van het energieverbruik met de helft. Hierdoor wordt het potentieel van GaN-technologie in de VSD-markt enorm vergroot, wat kan bijdragen aan de snellere adoptie van VSD's in huishoudelijke en commerciële apparaten.

Een belangrijk voordeel van GaN is het feit dat het een veel kleiner chipformaat heeft in vergelijking met silicium-apparaten, zelfs wanneer de RDS(ON)-waarden lager zijn. Dit resulteert in lagere productiekosten, wat het gebruik van GaN betaalbaarder maakt voor verschillende toepassingen. Bovendien kunnen de prestaties van GaN-apparaten verder worden geoptimaliseerd door de combinatie van lage omschakelverliezen en de afwezigheid van reverse-recovery charge, wat hen bijzonder geschikt maakt voor gebruik in variabele snelheid aandrijvingen.

De impact van deze technologie is niet te onderschatten. Als VSD's op silicium basis jaarlijks tot wel 1 Quad aan energie kunnen besparen, kan de overstap naar GaN-gebaseerde VSD's de energiebesparingen met nog eens 10-20% vergroten, wat een jaarlijkse besparing van 0,1-0,2 Quad betekent. Dit vertaalt zich in een potentiële besparing van tussen de 1,1 en 2,3 miljard dollar per jaar.

Met de introductie van een lage-kosten gate driver IC voor GaN HEMT’s, is het mogelijk de VSD-markt te transformeren. Door de kosten te verlagen en tegelijkertijd de energie-efficiëntie te verhogen, zal deze technologie naar verwachting de manier waarop energie wordt gebruikt in huishoudelijke en commerciële apparaten drastisch veranderen. Dit biedt niet alleen voordelen voor de gebruiker, maar draagt ook bij aan wereldwijde energie-efficiëntie en duurzaamheid.

Waarom biedt de S4T-topologie een fundamenteel voordeel tegenover klassieke vermogenselektronica?

Het bereiken van een stijging van 125 °C in de halfgeleiders van verschillende vermogensconverters vereist bij traditionele VSI-topologieën een relatief lage schakelfrequentie: 5 kHz voor de actieve front-end en de inverterbrug, en 10 kHz voor het DC-DC-stadium (zoals een DAB). In scherp contrast daarmee staat de S4T-topologie, die dezelfde thermische grens kan bereiken bij een veel hogere schakelfrequentie van 16 kHz. Dit verschil is cruciaal: hogere schakelfrequenties impliceren kleinere passieve componenten, een hogere controlebandbreedte en een reductie van de verliezen die gepaard gaan met de beperkte schakelplicht. Bovendien vereist de S4T aanzienlijk minder energieopslag in reactieve componenten – slechts 4 joule inductieve opslag tegenover 500 joule capacitieve opslag in een vergelijkbaar VSI-prototype. Deze reductie van bijna 90% vertaalt zich direct in compactere, lichtere en goedkopere systemen.

Binnen het ARPA-E project werd een modulaire MV-S4T ontwikkeld voor directe aansluiting op het net: 7,2 kV/50 kVA, enkeltraps, geïsoleerd en soft-switchend. Deze transformator benut wide-bandgap (WBG) halfgeleiders voor directe aansluiting op het middenspanningsnet, zonder tussenliggende stadia. In het hart van het ontwerp ligt de klassieke S4T-topologie, verrijkt met jaren aan ontwikkeling en tientallen academische publicaties. De MV-S4T bevat vijf S4T-modules in serie aan de MV-zijde en parallel aan de LV-zijde, elk met een 1,44 kV MV-AC poort en twee 350 V LV-DC poorten. Eén van de LV-DC poorten fungeert als buffer voor dubbel-lijnfrequentie pulsaties, de andere kan gekoppeld worden aan bronnen of lasten zoals zonne-energie, EV-laders of opslag.

De krachtconversie gebeurt via current-source architectuur met WBG reverse-blocking devices. ZVS (zero-voltage switching) over het volledige belastingbereik wordt gerealiseerd door resonantietanks gekoppeld aan de wikkelingen van een medium-frequency transformator (MFT). Tijdens elke schakelcyclus doorloopt een enkele S4T-cel zes staten, waarbij resonantie tussen inductoren en condensatoren zorgvuldig wordt benut om de spanningen aan MV- en LV-zijde om te keren en ZVS te waarborgen. Dit resulteert in minimale schakelverliezen, zelfs bij snel wisselende belasting.

De realisatie van een MV-S4T op hardware-niveau is complex en vereist innovatieve oplossingen. Het prototype toont robuuste prestaties tot 7,5 kV piekspanning met oliekoeling, bidirectionele vermogensstroom, >97% efficiëntie en minimale elektromagnetische interferentie (dv/dt <2 kV/μs). Vijf convertermodules opereren interleaved met spanningsbalans en harmonische vervorming onder 5%, wat aantoont dat deze technologie schaalbaar is naar hogere vermogens en spanningen. De transformator zelf werd ontworpen voor middenspanning, medium-frequentie en minimale lekflux, wat cruciaal is voor isolatie en systeemcompactheid.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat de transformatie die de S4T-technologie mogelijk maakt veel verder gaat dan enkel efficiëntie. Het gaat om de overgang naar een vermogenselektronica-architectuur die fundamenteel meer controleerbaar, schaalbaar, compact en kosten-efficiënt is. De combinatie van ZVS, modulair ontwerp, hoge schakelfrequentie en directe netkoppeling opent perspectieven voor toepassingen die voorheen ondenkbaar waren – denk aan netgek