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eGaN FET与硅器件比拼之低功率无线电源转换器 免费猫

发布时间:2020-02-17 13:36:59 阅读: 来源:聚氨酯保温板厂家

eGaN FET与硅器件比拼之低功率无线电源转换器

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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