eGaN FET与硅器件比拼之低功率无线电源转换器

引言

　　无线电源传送应用在通用产品如手机充电器日渐受欢迎。 大部分的无线电源解决方案专注于与工作频率约在200 KHz的感应线圈解决方案的紧密式耦合，以及E、F、S类放大器的转换器拓扑。可是近来市场要求器件工作在受限及未经许可使用的、更低的ISM频带(6.78 MHz)，这是传统MOSFET技术已接近其性能限制的工作频率。增强型氮化镓场效应晶体管可作为MOSFET的替代器件，因为它具足够快速的开关性能，为无线电源应用的理想器件。本章主要讨论对使用感应线圈及宜普公司的氮化镓场效应晶体管的无线电源系统进行实验性评估，该系统使用半桥拓扑及工作在6.78 MHz频率下，适用于为多个负载功率为5W并使用USB接口的充电器而设。此外，我们将对这个实验性系统与基于等效MOSFET器件的系统进行比较。

　　感应式无线充电系统概述

　　感应式无线充电系统包含四个主要部分：

　　1. 放大器(亦称为功率转换器)

　　2. 发射线圈包括匹配的电网

　　3. 接收线圈包括匹配的电网

　　4. 具高频过滤性能的整流器

　　要了解及设计一个无线电源系统，必需首先明白发射及接收感应线圈的基本工作原理。

　　发射线圈与高频交流电源接合后产生磁场，从而与接收线圈耦合及传送电源。一套感应线圈可以一个具高漏电感的变压器电路模型代表。图1展示了这个变压器的简化原理图，其中Lmx代表磁感及Lrx代表漏电感。对这个模型进行分析可显示电源传送至次级侧漏电感的能力完全取决于初级侧漏电感[16]。这些系统具高漏电感值，典型地与磁感值相同，在初级电路减少电流，从而在理想的变压器初级绕线降低电压。漏电感与线圈之间的距离大约成正比例。漏电感与线圈之间距离的确切关系在本章的研究范围之外，但在设计及讨论中将使用大约为0.12的耦合系数。

　　在理想变压器初级绕线提高电压，感应线圈工作在谐振时使用外置元件可大大提升可传送的功率，这是通过把调整后并匹配的电网加入发射及接收线圈 [16]。

　　图1：感应线圈的等效电路模型

　　在6.78 MHz的ISM频带工作需要一个air core 变压器，没有它将导致极大的磁性物料损耗。Air core 变压器具有很低磁感，所以需要更高电流工作。

　　由于应用需要器件在谐振及变压器感应值工作，因此需要一个匹配的电网，可把在功率级的电阻转换至变压器以传送最大能源，并可以调整线圈的谐振频率至最理想的频率。