【技术】面向无线能量传输系统的eGaN FET，效率超过80%

时间： 2019-08-30 来源：EPC（世强翻译）

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无线能量传输系统

无线能量传输应用越来越受到移动设备充电解决方案的普及，这些解决方案需要对诸如线圈间隔，线圈对准和负载功率需求的操作条件的变化的低轮廓和高鲁棒性。eGaN FET的优越特性，例如低输入和输出电容，低寄生电感和小尺寸，使其成为这些系统中的理想选择。本文，将比较两种经典的基于开关模式的RF放大器；（1）电压模式等级D和（2）单端类E。排除这种比较将是提前控制技术，因为所有电路将以固定频率（6.78 MHz）和占空比（50％）运行。

以前已经在具有峰值效率超过70％的15W，6.78MHz典型电压模式D类无线能量传输系统中证明了eGaN FET，并且提供比可比较的MOSFET版本高4％的总效率。在中显示，与传导损耗相比，动态开关损耗高，系统将受益于使用较小的器件。这意味着具有较低输出电容（COSS）和较高RDS的小型器件将有利于系统的效率性能。随着第三代eGaN FET系列的推出，一款小型器件EPC8004具有出色的高频特性已经成为可能。这个新的部分将在与原始设计相同的源放大器中进行比较。

E类放大器由于其高理论效率和将开关器件的COSS吸收到匹配网络电路中的能力，也被广泛关注作为无线能量传输的合适候选者。然而实际上由于RDS、电感和线圈（ESR）造成的损失将降低这种方法的效率。

图1：源线圈回路，器件线圈和整流电路（左），简化表示（右）

所有放大器将使用相同的线圈组和负载进行比较。只有对特定放大器建立正确操作所需的源极线圈的变化才会做出。器件线圈和整流器在每种情况下都是相同的电路，这使得能够根据其优点进行直接比较。具有器件侧匹配的负载，整流器，线圈组如图1（左）所示。为了设计目的，该电路简化为单阻抗参数（Zload）。这使得所有设计都可以通过操作所需的差异进行简单比较。

图2：电压模式D类无线传输系统原理图（左）具有理想波形（右）

E级操作

具有如图3（左）所示原理图的E类也通过使Cs与Zload的无功分量谐振以在谐振中操作负载，以在负载中建立正弦电流并克服线圈组的漏电感。然而，只有一个与匹配网络（额外的电感（Le）和额外的并联电容（Cshe））结合使用的开关器件来建立谐振电压，该转换器的器件经历了如图3（右）所示的零电压开关（ZVS）事件。跨设备的并联电容器用作于将COSS吸收到谐振电路中的谐振电路的一部分。电感器LRFck用作电路的电流源。

实验验证

建立和测试了两个D类系统，一个使用EPC2014，另一个是EPC8004器件。使用EPC2012设备构建和测试了E类系统。图4显示了两种版本的电压模式D类系统和E类系统的效率结果。结果表明，尽管较高的RDS，但较低的COSS具有较短的转换时间，具有效率优势在D类方法的情况下。由于具有同时零电压和零电流的一个开关转换，另一个在降低的电流下，E类系统的效率更高。由于设备的额定电压较高，因此能够实现更高功率输出。在D类系统的情况下，开关节点的电压过冲会限制最大输出功率。

图4：D类和E类无线能量传输系统的效率结果

图5显示了D类系统的开关节点电压波形。很明显，EPC8004器件的较低COSS允许显着降低电压转换时间。这最终导致更高的D类效率。

图5：D类系统的测量开关节点电压波形，显示EPC2014和EPC8004器件之间的COSS引起的电压转换差异

图6显示了E级放大器的Q1的漏-源电压（VDS）波形以及额外电感器Le中的电流。

图6：测量的E级放大器漏极到源极电压和额外的电感电流波形

综上，EPC提出了高度谐振，松散耦合的6.78 MHz无线能量传输方式，用于电压模式D类和E类方法。在每种情况下，已经证明eGaN FET通过提供有效和紧凑的解决方案来实现无线能量传输。在E级的情况下，效率在输出负载范围的大部分上超过80％。已经表明，eGaN FET支持两种方法，并且转换器拓扑的选择将进一步取决于应用特定的要求，例如对负载范围的灵敏度和线圈耦合变化。

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窝在家里好舒服 Lv5. 技术专家 2019-03-25

学习一下
用户83734992 Lv6. 高级专家 2019-03-25

学习
用户83734992 Lv6. 高级专家 2019-02-19

学习“
jishizhong Lv9 2019-02-14

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流水 Lv7. 资深专家 2019-02-14

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承毅 Lv8. 研究员 2019-01-21

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科研狂魔 Lv7. 资深专家 2019-01-19

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IC哥 Lv7. 资深专家 2019-01-16

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Paulwang Lv8. 研究员 2019-01-12

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用户29762020 Lv4. 资深工程师 2019-01-09

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