eGaN FET与硅器件比拼之低功率无线电源转换器 Michael, 转换器, 无线电, 博士, 电源

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作者：宜普电源转换公司应用总监Michael De Rooij博士、 应用副总裁Johan Strydom博士

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]。

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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。

我们所演示的感应线圈由Witricity公司设计及提供[5]。

功率放大器

在选择功率放大器之前，我们需要先决定器件主要的工作规格如电源电压及负载功率，因为这些规格将影响选择使用哪个功率拓扑。我们的目的是要设计一个在不同负载范围也具最高工作效率的系统。

我们决定对一个工作在高达24 V的系统进行评估，以找出在高频无线系统可有效地传送多少功率。 大部分使用USB接口的应用都限于5W负载功率，但市场趨向希望单一发射电源可支持多个负载，这将推动器件具备更高输出功率性能。无论负载是多少，我们的演示没有包括关于输出电压保持在5V的次级条例，也没有包括在无线电源系统典型地为了增强控制及对金属异物的探测（FMDD）能力而提供器件与电源模块之间的复杂交流。，

无线电源应用需要基于开关的转换器，因为最优秀的射频放大器也没有足够高的转换效率，所以实际上不会选择使用它们。因此给高效无线电源应用可选及合适的转换器就只有D、E及F 类[8]，以及S类放大器的配置[9]。

此外，进一步的限制包括工作在6.78 MHz 的ISM频带[12]只有±15 kHz的频宽，这实际上去除调制输出（电压或负载）的调频技术。E及F类转换器的缺点是在主开关必需能够完全阻隔线圈电压，其中D及S类转换器的开关只需阻隔电源电压。再者，E及F类转换器的应用较难控制，因为当开关成为谐振电路的一部分将很难决定零电压开关的时间。在于S类放大器来说，控制器需要比容许ISM频带使用的频宽具更大的频宽。

因此最合理的放大器的选择是工作在固定频率的D类转换器。 如果具50%的占空比（±10%），调制占空比对调制输出的影响很小，因为感应线圈将工作于谐振（占空比的主要影响是对转换器效率在±10%范围的影响，由于发射线圈的频谱部分可超过一般电磁干扰的限制，这将把电流谐波引入线圈。

我们给评估选择一个使用半桥配置的功率放大器，因为氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）工作在较高压时具更高效率，并可配以一个现有的高效栅极驱动器[10]来控制成本。

转换器于谐振之上工作，好处是零电压开关（ZVS）及取得最高功率放大器效率，并采用具最小尺寸的40 V 氮化镓场效应晶体管（EPC2014），因为它具备低导通电阻及低Coss， 以确保最低功率损耗。图2展示了一个无线系统的方框图。

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图2：无线电源系统的方框图

调制及控制输出

在无线电源转换器我们使用两个控制方法：

1. 总线电压不变– 不同的频率控制

2. 频率不变- 不同的总线电压控制

总线电压 不变–不同的频率控制

这是在工作在100 KHz 至200 KHz频率范围的无线转换器最常用的控制方法， 因为使用较少元件，但要适度控制输出则需要给分隔障碍若干形式的反馈。传统解决方案使用基于无线基准的数字通信协定 [3]， 为控制提供虽然速度慢但合理的系统。这种方法的弊病是：

1）接收与发射元件的交流重叠在功率之上，可干扰功率，并使系统不可常工作在峰值效率。

2）系统控制会使用不同工作频率来控制基于负载要求的输出。 当工作在ISM频带时，距离最高频宽不可超过±15 kHz， 因此在线圈设计中可消耗任何容差。

通过加入高频降压稳压器可增强器件对输出的稳压能力。

频率不变- 不同的总线电压控制

这是另一种控制方法，它需要额外前端转换器来替功率放大器调节直流电源电压。 功率放大器、整套感应线圈及整流器如直流变压器般工作。对输出仍需额外调节，因为整流器负载需要像恒常电阻器般工作，以确保即使横跨负载范围也可以取得最高工作效率。这种方法非常严谨地控制工作频率，因此可达到ISM频宽的严格要求。

三种无线系统包括紧密式耦合（发射及接收线圈的距离很短及磁场位于中间）、松散式耦合（发射及接收线圈相对地相互紧靠但不一定有接触点，及磁场位于中间）及灵活式耦合[17]（发射及接收线圈的距离和磁场中心都可变）。本章探讨使用松散式线圈的系统。

并不包括在以上的控制方法是发射及接收线圈之间不同距离及对齐与否的影响， 它可影响耦合， 从而影响等效电路模型变压器的漏电感值，所得结果是转变线圈的谐振频率。 因此我们非常建议使用对齐及固定线圈间距的方法。

整流器

整流器的作用是转换从接收线圈的高频交流电至直流电电压。对整流器的重要考虑因素包括传导及开关损耗。可实现同步整流器，但如果使用氮化镓场效应晶体管在给定所需时间，需要正确地实现高频开关，这是本章以外的议题，本章只讨论简单的全波形桥式二极管。

与MOSFET技术相比

功率放大器在高频工作时会产生较高的功率损耗，因此转换器最好具零电压开关（ZVS），因可以去除基于Coss的损耗，从而取得最高效率。工程师要决定电路中元件的功率损耗则需要知道电路工作的原理。

在系统内导致损耗的主要因素有：

场效应晶体管开关包括栅极驱动器的功耗

整流器二极管

整套感应线圈包括匹配电网

要展示氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）在无线电源应用的优势必需比较基于氮化镓及基于等效MOSFET器件的电路性能。所选的MOSFET器件是英非凌公司的BSZ130N03LS_G[13]，它使用3 mm x 3 mm尺寸的 PG-TSDSON-8 封装，与宜普公司的氮化镓器件EPC2014相比，具相同导通电阻，但额定值是30 V， 而宜普氮化镓器件的额定值为40 V。

我们设计了演示电路，从而评估氮化镓及MOSFET器件的性能。WiTricity公司[5]提供线圈及匹配电网。

由于转换器具高频开关速度及在电压、电流中快速转换，因此在电路的物理设计方面需要留意版图的设计。功率电路元件具小尺寸，使得量度关键节点变得困难，因此PCB嵌进探孔从而改善至示波器探孔的连接。

实验性装置的设计包含四块独立的电路板：

1）发射装置（功率放大器）

2）发射线圈

3）接收线圈

4）接收装置（整流器）

发射装置含功率放大器（开关转换器）、栅极驱动器、电源稳压器及跟随相位的控制器。 发射线圈的电压通过同轴电缆连接得以反馈而被转换为方形波形电压并在用来驱动栅极驱动器之前被延迟及计时，为系统提供类似自转动反馈控制器。 这允许对每一个场效应晶体管的频率、占空比及死区时间进行非常精确的调制。图3展示了整个无线电源系统设置的图片。我们使用50 Ω SMA连接器连接所有电路板及使用一英寸长的尼龙线距来分隔发射及接收线圈。连接发射线圈反馈电压的连接器用了SMB snap。

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图3：宜普公司与Witricity公司共同开发的无线电源系统的图片

从图4发射电路板的放大图可以看到装贴了散热器，替氮化镓场效应晶体管及MOSFET器件散热。我们使用单一电路板同时评估含氮化镓及MOSFET器件的电路，并在测试时使用相同发射线圈、接收线圈及接收电路板，目的是限制唯一可比的因素在于功率放大器开关技术方面。

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图4：宜普公司的发射电路板的主要元件及各分部的图片

我们使用Advanced Thermal Solutions[14]的15 mm长 、15 mm阔及 14.5 mm高的散热器，并使用Wakefield热接口物料型号173 [7]的薄片，把散热器装贴及平放于氮化镓场效应晶体管及MOSFET器件的上面。

此外，我们使用德州仪器公司内含氮化镓场效应晶体管的LM5113 半桥栅极驱动器[10]来驱动氮化镓场效应晶体管及MOSFET器件，并选用紧凑型的BGA封装（2 mm x 2 mm）。请注意，在这个应用中的LM5113 集成电路工作在远高于它本来设计的5 MHz频率。 LM5113 逻辑电路可工作在非常高的开关频率，可是内置自举电源需要最低限度约100 ns低侧on-time为高侧电源充电至所需电压。结果是在LM5113电路需加入额外的外置自举电源，之后再加入一个LDO稳压器以确保在上方的场效应晶体管电路的电压为5 V。 高开关频率也代表LM5113的功耗可以非常大，所以把器件放在散热器底部有助散热。

为评估而设，图5展示嵌入了分流电路及最低负载的接收电路板的放大图，使用嵌入式Kelvin连接以取得准确的电流及电压测量值。

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图5：宜普公司接收电路板的主要元件的图片

实验结果

在给定的不同直流负载电阻值，初步测试可决定整套线圈的最高工作频率。 在固定的23.6Ω负载，器件的工作峰值频率为6.639 MHz。图6展示负载功率为效率（包括基于氮化镓及基于MOSFET器件的功率放大器的栅极驱动电路功耗）的函数，其固定负载阻抗值为23.6Ω，工作频率为6.639 MHz。

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图6：在固定负载电阻条件下，基于氮化镓场效应晶体管和基于MOSFET的无线电路板之间的直流输入直流输出效率比较（包括栅极驱动器功耗）。该效率是输出功率的函数。

基于氮化镓场效应晶体管的装置的波形图是在22 V电源电压时取得（图7），基于MOSFET器件的装置看图8。波形图展示了较低栅极电压（青色部分）、开关节点（紫色）、发射线圈的输入电流（绿色）及接收线圈的输出电压（黄色）。我们使用Athena Energy [11]制造的Rogowski线圈电流探测器来探测线圈电流。在整套线圈其中的一个匹配电感器绑着pick-up传感器。

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图7：对基于eGaN FET的电路板并工作在22 V电源电压、6.639 MHz频率、23.6Ω负载的条件下进行测量的结果

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图8：对基于MOSFET的电路板并工作在22 V电源电压、6.639 MHz频率、23.6Ω负载的条件下进行测量的结果

系统可以在高达20 V电源电压（12.5 W负载功率）使用对流散热（图9）。在20 V以上则必需强制使用空气散热方式，以防其中一个于匹配电网的电感器的温度超过摄氏150度。

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图9：含氮化镓无线发射电路板的热成像，器件工作在20 V电源电压、6.639 MHz频率、23.6Ω负载（具12.5 W功率负载）及环境温度为摄氏28度。

图10给出对基于氮化镓及基于MOSFET器件的无线电源电路的功率损耗进行微细分析，可得出各种损耗包括场效应晶体管开关（传导及开关）、栅极驱动器、发射电路板（初级线圈）、接收线圈（次级线圈）及整流器（传导及电容性）损耗。

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图10：对基于氮化镓及基于MOSFET器件的无线电源电路板的功率损耗进行微细分析，两块电路板工作在22 V电源电压、6.639 MHz频率及23.6Ω负载条件下

在22 V电源电压及15 W功率的负载测量而推论出：

1）整套的感应线圈的效率为87.3%

2）基于氮化镓场效应晶体管的系统效率为82.9%

3）基于MOSFET器件的系统效率为78.8%

4）整流器的效率为93.6%

总结

本章展示了基于电感的Ｄ类无线电源系统可以工作在6.78 MHz的ISM频带下。由于实验的限制，我们展示器件工作在6.639 MHz频率下，及对基于氮化镓场效应晶体管和基于等效MOSFET并使用相同线圈及整流器的无线电源系统进行比较。在15 W负载功率条件下，与基于MOSFET 器件的系统相比，基于氮化镓场效应晶体管的系统在整体效率方面高出３％。

在改善放大器的效率方面，使用氮化镓场效应晶体管的功率放大器比使用MOSFET的放大器的效率高出４％。（功耗减少了２４％）。

一个工作在6.78 MHz ISM频带的无线电源系统可以在高频下工作的主要因素是给整流器固定电阻值，实际上，我们可在整流器加入一个降压转换器并把输入编程，使之如固定电阻器般工作，及同时根据负载的要求调较输出电压。

对这类无线系统而言，线圈之间要对齐及具固定间距也是重要的。漏电感的变化要不变得过大而不能补偿工作在ISM频带所要求的严格频宽。

最后，请留意用作这次评估的氮化镓场效应晶体管对于这种用于5 W功率级别的应用来说是过大。在写本章时，我们所选的晶体管是宜普公司产品系列中尺寸最小的产品。虽然所测试的器件可推动15 W功率应用，但用于低功率级别的应用可采用尺寸较小、额定值为30 V的器件来提升效率，或可提高电源电压，使基于氮化镓场效应晶体管的无线系统与基于MOSFET器件的系统相比，可实现更高输出功率。

参考资料

[1] “Wireless Power Transfer System via Magnetic Resonant Coupling at Restricted Frequency Range”, Teck Chuan Beh, Takehiro Imura, Masaki Kato, Yoichi Hori, Annual Conference of I.E.E. of Japan, Industry Applications Society Aug. 2010.

[2] “Wireless Power Receiver IC Complements Existing Transmitter”, Sam Davis, Power Electronics Technology magazine, July 2011.

[3] “System Description Wireless Power Transfer”, Vol. 1, ver. 1.0.3, Sept. 2011.

[4] “Mid-range Wireless Energy Transfer Using Inductive Resonance for Wireless Sensors”, Shahrzad Jalali Mazlouman, Alireza Mahanfar, Bozena Kaminska, IEEE International Conference on Computer Design ICCD 4-7 Oct 2009. pp 517 – 522