eGaN FET與硅器件比拼之低功率無線電源轉換器

引言

　　無線電源傳送應用在通用產品如手機充電器日漸受歡迎。 大部分的無線電源解決方案專注于與工作頻率約在200 KHz的感應線圈解決方案的緊密式耦合，以及E、F、S類放大器的轉換器拓撲。可是近來市場要求器件工作在受限及未經許可使用的、更低的ISM頻帶(6.78 MHz)，這是傳統MOSFET技術已接近其性能限制的工作頻率。增強型氮化鎵場效應晶體管可作為MOSFET的替代器件，因為它具足夠快速的開關性能，為無線電源應用的理想器件。本章主要討論對使用感應線圈及宜普公司的氮化鎵場效應晶體管的無線電源系統進行實驗性評估，該系統使用半橋拓撲及工作在6.78 MHz頻率下，適用于為多個負載功率為5W并使用USB接口的充電器而設。此外，我們將對這個實驗性系統與基于等效MOSFET器件的系統進行比較。

　　感應式無線充電系統概述

　　感應式無線充電系統包含四個主要部分：

　　1. 放大器(亦稱為功率轉換器)

　　2. 發射線圈包括匹配的電網

　　3. 接收線圈包括匹配的電網

　　4. 具高頻過濾性能的整流器

　　要了解及設計一個無線電源系統，必需首先明白發射及接收感應線圈的基本工作原理。

　　發射線圈與高頻交流電源接合后產生磁場，從而與接收線圈耦合及傳送電源。一套感應線圈可以一個具高漏電感的變壓器電路模型代表。圖1展示了這個變壓器的簡化原理圖，其中Lmx代表磁感及Lrx代表漏電感。對這個模型進行分析可顯示電源傳送至次級側漏電感的能力完全取決于初級側漏電感[16]。這些系統具高漏電感值，典型地與磁感值相同，在初級電路減少電流，從而在理想的變壓器初級繞線降低電壓。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系在本章的研究范圍之外，但在設計及討論中將使用大約為0.12的耦合系數。

　　在理想變壓器初級繞線提高電壓，感應線圈工作在諧振時使用外置元件可大大提升可傳送的功率，這是通過把調整后并匹配的電網加入發射及接收線圈 [16]。

　　圖1：感應線圈的等效電路模型

　　在6.78 MHz的ISM頻帶工作需要一個air core 變壓器，沒有它將導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。

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