无线能量传输中eGaN® FET高效率设计实现方案

    eGaN FET 之前已经在松散耦合的无线电力传输解决方案中展示了更高的效率。当使用 ZVS D 类或 E 类放大器进行谐振操作时会发生这种情况 [1, 2, 3, 4, 5]。然而，实用无线电力系统需要解决此类系统的便利因素，这会导致反射线圈阻抗随着负载和耦合的变化而显着偏离谐振。这些系统仍然需要向负载供电，因此放大器需要在很宽的阻抗范??围内驱动线圈。A4WP Class 3 等标准定义了一个广泛的线圈阻抗范围，以解决便利因素，并可用作比较放大器性能的起点。
    在本期 Wi GaN 中，ZVS D 类和 E 类放大器都将在 6.78 MHz 下按照 A4WP 3 类标准进行测试，并降低阻抗范围以确定固有的工作范围限制。器件温度和电压限制等因素将决定每个放大器能够驱动的负载阻抗范围的界限。
    A4WP 3 类标称工作范围
    A4WP 3类标准定义了一个宽阻抗范围-虚数范围为+ 10jΩ至-150jΩ，实际范围为1Ω至56Ω。这是必不可少的，因为放大器需要能够以 800 mARMS 的标称电流驱动，当提供的功率达到 16 W 时，该电流会降低。整个阻抗范围在图 1 的史密斯圆图中以蓝色阴影区域显示，并且是也称为四个角。由于范围如此之宽，因此可以旋转阻抗范围以提高驱动线圈的放大器的效率和性能。在某些条件下，这种阻抗旋转被称为自适应匹配，因为有源电路会寻求找到  合适的线圈工作阻抗，并由蓝色虚线表示（没有特定旋转）。
    鉴于 A4WP 3 类阻抗范围如此广泛，无线电力系统设计的  步是确定实际工作阻抗范围。一旦知道，该值将确定自适应匹配覆盖整个 3 类范围所需的离散步数。放大器的实际限制包括额定设备电压限制、温度限制，在某些情况下，还包括电源电压限制。在此实验分析中，将在 28°C 的工作环境中使用 80% 的器件电压限制和 100°C 的器件温度限制（由红外摄像机观察到）。

    高效无线功率传输放大器拓扑
    将分析两种高效放大器拓扑，即 D 类 ZVS 和单端 E 类。每种放大器拓扑的原理图和理想工作波形如图 2 所示。
    ZVS D 类拓扑利用非谐振 ZVS 谐振电路允许开关节点在开关转换之间自换向，从而有效地消除了 D 类器件与输出电容 (COSS) 相关的损耗执行。
    单器件 E 类拓扑利用谐振电路 Le 和 Csh（其谐振频率与工作频率不同）来建立 ZVS 所需的条件。在这种设计中，输出电容（COSS）有效地与Csh并联，因此成为建立ZVS所需的谐振电路的一部分。在某些情况下，随着外部电容器 Csh 的值减小到零，E 类的设计将限于 COSS 的值。
    设备比较
    [5] 中定义的无线功率传输品质因数 (FOMWPT) 用于将 eGaN FET 与一流的 MOSFET 进行比较，如图 3 所示。  器件将具有较低的 FOMWPT 值。从 FOMWPT 中可以清楚地看出，eGaN FET 在两种放大器拓扑中都具有潜在的优越性能。