33W高度谐振式无线电力传输的6.78 MHz放大器拓扑结构的比较

日期:2017-08-22
 
作者:Michael de Rooij,Efficient Power Conversion,美国(Michael.derooij@epc-co.com);Yuanzhe Zhang,Efficient Power Conversion,美国(Yuanzhe.zhang@epc-co.com)
会议结束后将提供PPT演示。
 
摘要
AirFuel™ Class 4[1]标准规定了33 W的功率及50Ω和296jΩ的宽相对阻抗范围。ZVS D类和E类放大器拓扑结构仍然是设计人员的首选。本文通过实验比较了在宽负载阻抗范围下差模配置的两种拓扑结构。放大器采用运行在6.78 MHz的最高效率的eGaN® FET。文章还讨论了不同eGaN FET的选择。差分ZVS D类放大器可以在较宽的阻抗范围工作,与E类放大器相比具有更高的轻负载效率。
 
1. 引言
市场趋势要求不断增加无线电力传输应用的功率,如充电和运行笔记本电脑。基于目前标准[1],高度谐振无线电力传输方法已被证明能够提供高达70 W的较高功率,同时满足用户方便性的要求,如空间自由度、为不同功率级设备供电、以及多个设备同时供电的能力。随着无线电力水平和充电表面面积的增加,出现了新的设计挑战,如增加传输线圈阻抗范围、更高的电流和电压,以及增加的发热。了解这些特性对放大器性能的影响是实现最高系统效率的关键。
高度谐振无线电力传输系统由一个功率转换单元(源)和一个接收单元(器件)组成。在电力传输单元中,放大器向发射机线圈发射功率。发射机线圈在工作频率下调谐优化谐振(on-resonance),以增强源和设备之间的耦合。根据接收机单元的位置、尺寸、功率需求或接收机内存在的大型金属结构,发射机线圈的阻抗变化很大。 这项工作的目的是在运行一个AirFuel class 4标准时,研究和比较放大器拓扑结构,并实验确定尽可能最宽的实验阻抗范围。运行将进一步限制在无散热器或强制风冷,并在室温环境中将器件电压限制在额定80%,器件温度100℃。放大器可以驱动的虚部阻抗范围越宽,无线电力传输系统就越简单,因为它降低了复杂度,减少了在某些情况下重新调整电路、发射线圈的需要。研究中也包括了放大器的效率,以证明对不同eGaN FET功率损耗的影响。
 
2. AirFuel Class 4标准概述
AirFuel联盟是管理利用高度谐振方法的低功率无线电力传输标准机构[1]。发射机(源)被分成级别,接收机(器件)被分为类别。每个级别和类别都有一个预先设定的最大额定功率,如3级额定最大为16 W,或4类额定最大为13 W。针对各种使用场景的标准,如电力需求变化、设备位置和外物接近度,针对每个类(源线圈)定义了合规性的工作点范围。这个范围确保了允许与源设备配对,并由调谐线圈阻抗定义各种设备的兼容性。此外,该标准还规定了提供运行的最大线圈电流和最大功率。随着功率的增加,这些规格增加了系统和放大器的设计挑战。
AirFuel class 4[2]标准要求提供最大33 W,使之适合于至少需要25 W的小型笔记本电脑。Class 4标准列出了运行在6.78 MHz的从1.5 Ω到51.5 Ω和280j Ω到+16j Ω的发射线圈阻抗范围。该标准还规定了1.375 ARMS的AC线圈额定电流,并将发射功率限制在33 W。这是本研究中使用的标准。
发射线圈调谐使用的是无源元件,可以进行电感性或电容性有源重新调谐来改变阻抗(在史密斯圆图(Smith Chart)上旋转),但所需的相对大小阻抗范围保持不变。线圈调谐过程已有广泛记载[3],将不会在本文中描述。虽然class 4标准列出了各种允许的设备类别配对,但在这里不会提及或进行评估,因为这些只会在规定的电流和功率极限减少输出功率。

3. 无线电力放大器可提供33 W
只有少数的放大器拓扑结构可以驱动AirFuel class 4标准,其中最主要的是差模E类和变种[4、5、6和7],以及差模ZVS D类[6和8]。由于在基本版中使用了一个参考接地的有源器件,E类拓扑结构是无线电源解决方案的首选。基于ZVS D类的半桥表现出比等效功率额定E类[3]驱动更大负载阻抗范围的能力,但需要一个电平位移栅极驱动器。
 
3.1. 差模ZVS D类放大器
图1显示了差模ZVS D类放大器的原理。它包括两个背靠背连接、彼此在180°相移运行的单端放大器拓扑结构。占空比固定在50%。不同于传统D类放大器,用来建立ZVS条件的电路不是基于谐振原理,并不携带负载电流,使其实现了针对无线电力系统提供现实世界广泛操作条件的鲁棒性和稳定性[1、2]。

图1. 差模ZVS放大器拓扑结构(上图)与理想波形(下图)。
负载阻抗由调谐电路的Cs 和Z负载代表。
ZVS D类放大器的设计依赖于开关器件的选择。本文为放大器选择了两种不同的eGaN FET;100 V 30 mΩ EPC2007C[8],选择的是其低RDSon,另一个是100 V额定160 mΩ EPC8010[9],选择的是其低COSS。设计方程和方法在[3]中给出,并在这项研究的放大器设计中予以执行。
在-50j Ω至+50j Ω和2 Ω至56 Ω的很宽阻抗负载范围进行的设计分析显示,EPC2007C eGaN FET有8 ns死区时间的最佳LZVS = 390 nH[10],EPC8010 eGaN FET有3.5 ns死区时间,LZVS = 500 nH。
最后,为了确保最大放大器效率,两个放大器设计都采用了同步启动FET电源[3、11]。
 
3.2. 差模E类放大器
差模E类放大器如图2所示。它有两个接地参考开关器件,简化了栅极驱动器的设计。它也包括两个在彼此180°相运行的背靠背连接的单端放大器拓扑结构。占空比也固定在50%。这个拓扑结构可以产生非常高的效率,因为在理想条件下运行时,其中一个开关事件都具有ZCS和ZVS特性[3、4、5、6、12、13和14]。
 
图2. 理想波形的差模E类放大器拓扑结构。


图3. 针对各种固定负载设计电阻的作为负载电阻函数的差模E类放大器FET损耗。
 
 
虽然一个精心设计的放大器可以实现很高的效率(>90%),但常见的实际使用条件引起的小变化可以很容易让这个拓扑结构离开其最佳工作点,并迅速降低性能。这些条件已在[3、4和5]中有广泛的记录。例如,当负载失谐并出现放大器的感应阻抗时,负载的阻抗有效地增加了额外电感器(图2中的Le1和Le2),当负载电阻低于最佳值时,这将导致漏极较高的电压应力和较高的反向导通损耗。另一方面,电容性负载会增加开关损耗,尤其是当负载电阻大于最佳值时。
本研究选择的eGaN FET是200 V 50 mΩ EPC2019[15],选择的是其低RDSon,200 V额定100 mΩ EPC2012C[15]选择的是其低COSS。不像在ZVS D类放大器案例中,要依赖于FET的选择,E类放大器设计依赖于工作负载电阻的选择。由于非理想的工作点方程,这个放大器很难获得,LTSpice仿真被用来分析各种固定负载电阻设计选择,并确定对FET功率损耗负载电阻变化的影响[3]。负载电阻从0.5 Ω到60Ω变化,阻抗设置为零。结果绘制为一个作为负载电阻函数的总FET损耗,如图3所示。
从分析中可以看出,class 4放大器的最佳设计点负载电阻约为46 Ω,因为它产生了一种在整个负载电阻范围保持低于FET散热限制线的设计。由于设计是独立的FET选择,在最大容许COSS极限内,除了外部并联电容,设计将选择相同的两个FET。在EPC2019的情况下,不需要外部电容,而EPC2012C需要68 pF的外部电容器(图2中的Csh1和Csh2)[3]。
 
4. 实验装置和结果
本研究共构建和测试了四个放大器。两个是ZVS D类,两个是差模E类。
EPC9065是第一个使用EPC2007C eGaN FET的ZVS D类放大器,满足LZVS = 390 nH和设置为8 ns的死区时间。EPC9512是第二个使用EPC8010 eGaN FET的D类放大器,满足LZVS = 500 nH和设置为3.5 ns的死区时间。在栅极驱动电路中,两个ZVS D类放大器板采用了同步自举电源[3和11],以确保尽可能高的放大器效率。
EPC9052是第一个使用EPC2012C eGaN FET的E类放大器,满足Le = 600 nH和Csh = 68 pF。EPC9053是第二个使用EPC2019 eGaN FET的E类放大器,满足Le= 600 nH,但不需要任何并联电容(Csh = 0 pF)。两个E类放大器的RF扼流圈(LRFck)均采用39 µH电感。
放大器的测量没有驱动离散范围负载阻抗的强制空气冷却或散热。当设备和/或栅极驱动器温度均低于100℃,且任何FET的漏极-源极电压在其额定电压80%时,在稳态运行时记录数据。 图5显示了装有EPC8010 eGaN FET的ZVS D类放大器的放大器效率图。在AirFuel class 4标准之一工作时,这个放大器能够驱动70j Ω的相对虚部阻抗范围。

4.1. 效率结果
在可达到最大范围负载阻抗测量的放大器效率如图4至7所示。AirFuel有限的class 4功率也以虚线显示在图中。
图4显示了装有EPC2007C eGaN FET的ZVS D类放大器的放大器效率图。在AirFuel class 4运行时,这个此前报道的放大器[16]能够驱动60j Ω的相对虚部阻抗范围。

图4. 在AirFuel class 4标准之一工作,装有EPC2007C eGaN FET的EPC9065 ZVS D类放大器测得的放大器效率图。


图5. 在AirFuel class 4标准之一工作,装有EPC8010 eGaN FET的EPC9512 ZVS D类放大器测得的放大器效率图。 图7显示了装有EPC2019 eGaN FET的E类放大器的放大器效率图。在AirFuel class 4标准之一工作时,这个放大器能够驱动40j Ω的相对虚部阻抗范围。


图6. 在AirFuel class 4标准之一工作,装有EPC2012C eGaN FET的EPC9052 E类放大器测得的放大器效率图。

图6显示了装有EPC2012C eGaN FET的E类放大器的放大器效率图。在AirFuel class 4标准之一工作时,这个放大器能够驱动25j Ω的相对虚部阻抗范围。


图7. 在AirFuel class 4标准之一工作,装有EPC2019 eGaN FET的EPC9053 E类放大器测得的放大器效率图。
 
 
4.2. 被测试放大器之间的效率性能比较
放大器效率之间的性能比较现在可以绘制在一个图上,如图8所示。图表显示,在低负载电阻范围,作为虚部负载阻抗函数的ZVS D类放大器出现了宽的效率变化。这主要是由于放大器没有全功率运行,而放大器的低电源电压导致减少了软开关操作。

图8. 在负载阻抗范围各种放大器测量的效率范围之间的比较。

另一方面,E类放大器表现出相反的效率趋势。传播效率小于ZVS D类放大器,但也是由较低虚部阻抗范围能力驱动的。 在EPC9053上使用EPC2019 eGaN FET构建的E类放大器显示了比EPC9052上用EPC2012C构建的版本更宽的效率变化,然而,当用类似的虚部阻抗范围检查数据时,它几乎与归因于FET之间差异的差别完全相同。这不是一个令人惊讶的结果,因为除了开关器件,两个放大器相同。
对于ZVS D类放大器,高RDSon器件产生了虚部阻抗范围能力的改善,而在E类放大器中低RDSon器件做到了这一点。显然,两端都有限制,如ZVS D类放大器的跨器件最大电压,以及E类的放大器设计到最佳负载电阻点的能力[3]。
 
4.3. 热效应
作为测试放大器的一部分,跟踪了器件温度。图9显示了作为被测虚部负载阻抗范围负载电阻函数的被测E类放大器的器件温度。从图中可以看出,放大器的EPC2019版本散热没有被限制在+20j Ω,而是随着峰值器件电压达到160 V的电压限制。
 
表1总结了各种被测放大器的一些关键效率结果和负载阻抗范围能力。
表1. AirFuel Class 4标准之一工作的被测放大器总结
 
我们还可以在图 9中看到,运行在相同负载条件下的E类放大器之间的热性能显示出非常相似的器件温度。使用低RDSon器件的一个主要好处是扩展了实现的虚部负载范围。虽然在试图产生虚部阻抗范围中更大增量时有进一步减少器件RDSon的诱惑,但当设计方程需要Csh为负时,这将导致无法实现的设计[7]。
5. 结论
本文通过实验验证了在6.78 MHz工作的一个高度谐振无线电源系统的E类和ZVSD类放大器差模版本的比较,为负载提供了最大33W。放大器都配有eGaN FET,它继续在无线电源应用展示着高效率能力。
结果表明,使用EPC8010 eGaN FET与EPC2007C eGaN FET相比,ZVS D类放大器的相对阻抗驱动范围为70j Ω,在40j Ω比E类放大器更宽,且宽于之前的报道。

图9. 作为被测虚部负载阻抗范围负载电阻函数的E类放大器之间测得的器件温度比较。
4.4. 实验结果讨论
ZVS D类放大器采用EPC2007C eGaN FET构建在EPC9065上,形成了以前工作的基础[9],预测表明,如果放大器安装了EPC8010 eGaN FET,当使用本研究在相同AirFuel class 4标准运行时,它可能电气上达到±50j Ω阻抗范围。实验结果表明,该放大器在装有EPC8010器件时,虽然能够驱动比EPC2007C版宽的虚部阻抗范围,但无法实现预测的±50j Ω。这部分归功于使用了比论文中计算的600 nH更低的500 nH的LZVS。较低的LZVS增加了在高电压下运行保持ZVS所需的能量,从而降低了效率并提高了FET温度。选择了500 nH代替600 nH是从实际考虑的。600 nH导致在一定运行条件下较低的ZVS储能电路电流,这导致增加了由于COSS的非线性效应的损耗,其中电路耗尽的能量完成了自整流电压过渡。这一问题的改进将成为未来工作的基础。
虽然E类拓扑结构可以是简单和一个受欢迎的选择,但它不一定能在无附加冷却的高功率水平工作,或需要有额定电压超过200 V的器件。这是由于负载引入了放大器软开关电路对阻抗变化的敏感性。选择一个更高电压额定值的器件并不一定解决问题,因为RDSon和COSS会有相应的转变,这可能使电路不可设计。这已在实验设计中观察到,在这项研究中,所需的并联电容达到了0 pF的极限。E类放大器也采用了比D类放大器更大的板面积,因为它使用了四个电感,而不是ZVS D类的两个。
效率分布的差异也表明,额外的优化可以在实际无线电源系统中实现,根据使用案例,使放大器始终在最高效率工作,而这种优化对ZVS D类和E类放大器非常不同。如果需要源线圈重新调谐电路,或如果使用案例规格可以导致减少虚部阻抗范围要求,放大器的选择最终将归结到放大器成本。对于目前的AirFuel class 4来说,解决方案可改变ZVS D类放大器的方向。
 
6. 参考文献
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