eGaN FET與硅器件比拼之低功率無(wú)線電源轉(zhuǎn)換器

引言

　　無(wú)線電源傳送應(yīng)用在通用產(chǎn)品如手機(jī)充電器日漸受歡迎。 大部分的無(wú)線電源解決方案專注于與工作頻率約在200 KHz的感應(yīng)線圈解決方案的緊密式耦合，以及E、F、S類放大器的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/strong>?？墒墙鼇?lái)市場(chǎng)要求器件工作在受限及未經(jīng)許可使用的、更低的ISM頻帶(6.78 MHz)，這是傳統(tǒng)MOSFET技術(shù)已接近其性能限制的工作頻率。增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管可作為MOSFET的替代器件，因?yàn)樗咦銐蚩焖俚拈_關(guān)性能，為無(wú)線電源應(yīng)用的理想器件。本章主要討論對(duì)使用感應(yīng)線圈及宜普公司的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的無(wú)線電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性評(píng)估，該系統(tǒng)使用半橋拓?fù)浼肮ぷ髟?.78 MHz頻率下，適用于為多個(gè)負(fù)載功率為5W并使用USB接口的充電器而設(shè)。此外，我們將對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)與基于等效MOSFET器件的系統(tǒng)進(jìn)行比較。

　　感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)概述

　　感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)包含四個(gè)主要部分：

　　1. 放大器(亦稱為功率轉(zhuǎn)換器)

　　2. 發(fā)射線圈包括匹配的電網(wǎng)

　　3. 接收線圈包括匹配的電網(wǎng)

　　4. 具高頻過(guò)濾性能的整流器

　　要了解及設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線電源系統(tǒng)，必需首先明白發(fā)射及接收感應(yīng)線圈的基本工作原理。

　　發(fā)射線圈與高頻交流電源接合后產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而與接收線圈耦合及傳送電源。一套感應(yīng)線圈可以一個(gè)具高漏電感的變壓器電路模型代表。圖1展示了這個(gè)變壓器的簡(jiǎn)化原理圖，其中Lmx代表磁感及Lrx代表漏電感。對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行分析可顯示電源傳送至次級(jí)側(cè)漏電感的能力完全取決于初級(jí)側(cè)漏電感[16]。這些系統(tǒng)具高漏電感值，典型地與磁感值相同，在初級(jí)電路減少電流，從而在理想的變壓器初級(jí)繞線降低電壓。漏電感與線圈之間的距離大約成正比例。漏電感與線圈之間距離的確切關(guān)系在本章的研究范圍之外，但在設(shè)計(jì)及討論中將使用大約為0.12的耦合系數(shù)。

　　在理想變壓器初級(jí)繞線提高電壓，感應(yīng)線圈工作在諧振時(shí)使用外置元件可大大提升可傳送的功率，這是通過(guò)把調(diào)整后并匹配的電網(wǎng)加入發(fā)射及接收線圈 [16]。

　　圖1：感應(yīng)線圈的等效電路模型

　　在6.78 MHz的ISM頻帶工作需要一個(gè)air core 變壓器，沒有它將導(dǎo)致極大的磁性物料損耗。Air core 變壓器具有很低磁感，所以需要更高電流工作。

　　由于應(yīng)用需要器件在諧振及變壓器感應(yīng)值工作，因此需要一個(gè)匹配的電網(wǎng)，可把在功率級(jí)的電阻轉(zhuǎn)換至變壓器以傳送最大能源，并可以調(diào)整線圈的諧振頻率至最理想的頻率。