Las columnas anteriores de esta serie discutieron las ventajas de los FET eGaN en diseños de conmutación suave, resonante y de conmutación dura de alta frecuencia. En este artículo, presentamos una transferencia de energía inalámbrica altamente resonante y débilmente acoplada en la banda ISM de 6,78 MHz que demuestra cómo los FET eGaN permiten esta tecnología. El propósito de esta columna es demostrar la transferencia de energía inalámbrica eficiente utilizando FET eGaN actuales y el controlador de medio puente LM5113 eGaN FET, y proporcionar ejemplos de enfoques de modo de voltaje Clase D y Clase E.
Las columnas anteriores de esta serie discutieron las ventajas de los FET eGaN en diseños de conmutación suave, resonante y de conmutación dura de alta frecuencia. En este artículo, presentamos una transferencia de energía inalámbrica altamente resonante y débilmente acoplada en la banda ISM de 6,78 MHz que demuestra cómo los FET eGaN permiten esta tecnología. El propósito de esta columna es demostrar la transferencia de energía inalámbrica eficiente utilizando FET eGaN actuales y el controlador de medio puente LM5113 eGaN FET, y proporcionar ejemplos de enfoques de modo de voltaje Clase D y Clase E.
sistema inalámbrico de transferencia de energía
Las aplicaciones inalámbricas de transferencia de energía están ganando popularidad en las soluciones de carga de dispositivos móviles que exigen un perfil bajo y una gran robustez frente a las condiciones de funcionamiento cambiantes, como el espacio entre bobinas, la ubicación de las bobinas y la demanda de potencia de carga. Las excelentes propiedades de los FET eGaN, como la baja capacitancia de entrada y salida, la baja inductancia parásita y el tamaño pequeño, los hacen ideales para usar en estos sistemas. Este artículo compara dos amplificadores de RF tradicionales basados en modo de conmutación. (1) Modo de voltaje Clase D [1, 2, 3]y (2) Clase E de un solo extremo [4, 5]Las técnicas de control avanzadas están excluidas de esta comparación, ya que todos los circuitos funcionan a una frecuencia fija (6,78 MHz) y un ciclo de trabajo (50 %).
Los FET eGaN se demostraron previamente en un sistema de transferencia de energía inalámbrico Clase D en modo de voltaje clásico de 15 W y 6,78 MHz [1, 2] Tenía una eficiencia máxima de más del 70 % y proporcionaba un 4 % más de eficiencia general que la versión MOSFET comparable. indicado por [1, 2] Las pérdidas de conmutación dinámica son altas en comparación con las pérdidas de conducción, por lo que los sistemas se benefician del uso de dispositivos más pequeños. Esto significa que los dispositivos pequeños con capacitancia de salida baja (COSS) y RDS alto (encendido) son beneficiosos para el rendimiento de la eficiencia del sistema. Con la introducción de la serie eGaN FET de tercera generación, [6]pequeños dispositivos, EPC8004 [7], han aparecido productos con excelentes características de alta frecuencia. Esta nueva parte se compara con el mismo amplificador fuente que el diseño original.
Los amplificadores de clase E también han atraído mucha atención como buenos candidatos para la transferencia de energía inalámbrica debido a su alta eficiencia teórica y su capacidad para absorber el COSS de los dispositivos de conmutación en los circuitos de red correspondientes. Sin embargo, en la práctica, las pérdidas de RDS(on) y de inductor y bobina (ESR) reducen la eficiencia de este enfoque.
Todos los amplificadores se comparan entre sí usando el mismo conjunto de bobinas y carga. Solo se realizan los cambios en la bobina fuente necesarios para establecer el funcionamiento adecuado del amplificador en particular. En ambos casos, la bobina del dispositivo y el rectificador son el mismo circuito y se pueden comparar directamente en función de sus ventajas. La carga, el rectificador y el conjunto de bobinas coincidentes del lado del dispositivo se muestran en la Figura 1 (izquierda). Este circuito se simplifica a un solo parámetro de impedancia (Zload) para fines de diseño. Esto permite comparar todos los diseños con solo las diferencias requeridas para la operación.
Modo de voltaje Clase D Operación
Usando el esquema que se muestra en la Figura 2 (izquierda), la clase de modo de voltaje D se logra haciendo resonar Cs con el componente reactivo de Zload para establecer una corriente sinusoidal en la carga, superando la inductancia de fuga del conjunto de bobinas. . [8]Como se muestra en la Figura 2 (derecha), el interruptor conduce una corriente de media onda sinusoidal cada medio ciclo. Esto establece un evento de conmutación de corriente cero (ZCS) para el interruptor. Un evento ZCS elimina las pérdidas de conmutación de apagado, pero se ve afectado por las pérdidas de encendido, incluidas las pérdidas de conmutación y COSS. Para maximizar el rendimiento, use Lm y Cm para modificar la operación del convertidor para operar ligeramente por encima de la resonancia usando Lm y Cm para lograr una conmutación de voltaje cero (ZVS) para eliminar las pérdidas de encendido más desfavorables.
Operación clase E
La clase E, cuyo esquema se muestra en la Figura 3 (izquierda), también opera la carga en resonancia al hacer que Cs resuene con el componente reactivo de Zload para establecer una corriente sinusoidal en la carga y superar la inductancia de fuga del conjunto de bobinas. [8]Sin embargo, si solo se usa un dispositivo de conmutación en combinación con la red correspondiente (inductancia adicional (Le) y capacitancia de derivación adicional (Cshe)) para establecer el voltaje resonante, entonces el dispositivo de este convertidor se muestra en la Fig. experimenta un voltaje cero evento de conmutación (ZVS) como se muestra en Figura 3 (derecha). Se utiliza un condensador de derivación (Cshe) a través del dispositivo como parte del circuito resonante que se utiliza para absorber el COSS en el circuito resonante. El inductor LRFck se utiliza como fuente de corriente para el circuito.
Verificación experimental
Se construyeron y probaron dos sistemas de clase D, uno con un dispositivo EPC2014 y otro con un dispositivo EPC8004. Se construyó y probó un sistema de clase E utilizando dispositivos EPC2012. La Figura 4 muestra los resultados de eficiencia para dos versiones de un sistema de clase D en modo voltaje y un sistema de clase E. Los resultados muestran que para el enfoque de clase D, a pesar del RDS(on) más alto, el COSS más bajo tiene una ventaja de eficiencia debido al tiempo de transición más corto. Los sistemas de Clase E son significativamente más eficientes porque una transición de conmutación ocurre simultáneamente con voltaje cero y corriente cero, y la otra transición de conmutación ocurre con corriente reducida. La clasificación de alto voltaje del dispositivo permite la operación a salidas de potencia más altas. Para los sistemas Clase D, el exceso de voltaje en el nodo del interruptor limita la potencia de salida máxima.
La Figura 5 muestra las formas de onda de tensión del nodo de conmutación para un sistema Clase D. Está claro que el bajo COSS del dispositivo EPC8004 reduce significativamente el tiempo de transición de voltaje. En última instancia, esto aumenta la eficiencia de la clase D.
La Figura 6 muestra la forma de onda de tensión drenaje-fuente (VDS) de Q1 de un amplificador de clase E y la corriente en el inductor adicional Le.
resumen
En esta columna, presentamos la transferencia de energía inalámbrica de 6,78 MHz de alta resonancia y débilmente acoplada para enfoques de clase D y clase E en modo de voltaje. En ambos casos, se ha demostrado que los FET eGaN permiten la transferencia de energía inalámbrica al proporcionar una solución eficiente y compacta. Para la Clase E, la eficiencia superó el 80% para una parte significativa del rango de carga de salida. Los FET de eGaN admiten ambos enfoques y se muestra que la selección de la topología del convertidor depende más de los requisitos específicos de la aplicación, como el rango de carga y la sensibilidad a las variaciones en el acoplamiento de la bobina.
eGaN® FET es una marca registrada de Efficient Power Conversion Corporation.
Referencias
[1] MA de Rooij, “Convertidores de energía inalámbricos de baja potencia”, Informe técnico de conversión de energía eficiente WP014
[2] MA De Rooij y JT Strydom, “eGaN® FET en convertidores de energía inalámbricos de baja potencia”, Transacciones de la Sociedad Electroquímica sobre transistores y convertidores de potencia de GaN, octubre de 2012, Vol. 50, No. 3, p. 377-388.
[3] SA El-Hamamsy, “Diseño de amplificadores de potencia de clase D de RF de alta eficiencia”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 9, No. 3, mayo de 1994, págs. 297-308.
[4] FH Raab, “La operación idealizada de los amplificadores de potencia sintonizados de clase E”, IEEE Transactions on Circuits and Systems, diciembre de 1977, Vol.24, No.12, pg.725–735.
[5] W. Chen, et al., “A 25.6 W 13.56 MHz Wireless Power Transfer System with a 94% Efficiency GaN Class-E Power Amplifier”, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT), junio de 2012, página 1: 3.
[6] MA De Rooij y JT Strydom, “Introducción a la familia eGaN FET para aplicaciones de conmutación dura de varios megahercios”, nota de aplicación AN015, septiembre de 2013.
[7] Hoja de datos de EPC8004
[8] K Siddabattula, “Selección de componentes magnéticos y componentes de diseño de sistemas de alimentación inalámbricos”, Texas Instruments.
[9] Z. Xu, H. Lv, Y. Zhang, Y. Zhang, “Análisis y diseño de amplificadores de potencia de clase E con MESFET de SiC”, Conferencia internacional IEEE de dispositivos electrónicos y circuitos de estado sólido, diciembre de 2009, 28. ~ 31 páginas .