【技术】面向高频无线电源传送应用的氮化镓场效应晶体管

2017-10-31 EPC(世强翻译)

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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    非常感谢分享
  • 奉天逍遥 Lv3 . 高级工程师 2018-11-27
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  • 行行摄摄 Lv5 . 技术专家 2018-11-27
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