基于GaN的電動(dòng)汽車無線交流傳輸技術(shù)

E 2 WATT 是 Eggtronic 創(chuàng)造的一項(xiàng)新的專利交流無線電源混合技術(shù)，旨在提高家用電器和汽車領(lǐng)域無線充電應(yīng)用的功率和效率。

Eggtronic 首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人 Igor Spinella 在接受 EE Times 采訪時(shí)指出，該技術(shù)由 GaN 半橋和 dsPIC33 微控制器支持，并融合了傳統(tǒng)的電源適配器和 Qi 無線發(fā)射器，確保提高效率以克服困難齊標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng) Qi 無線功率受限于距離（通常為 5 毫米）和最大功率（通常高達(dá) 30 W）。Qi 標(biāo)準(zhǔn)要考慮的另一個(gè)方面是過熱：在快速充電一段時(shí)間后，熱保護(hù)被激活，從而停止充電?！拔覀兊慕鉀Q方案以正確的方式引導(dǎo)磁場(chǎng)，不僅避免了 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的過熱問題，而且還提供了與未經(jīng) Qi 認(rèn)證的新 Apple 12 的兼容性，從而不僅為汽車，而且為汽車鋪平了道路。也適用于消費(fèi)者應(yīng)用，”Igor Spinella 說。

Spinella 指出，具有 AC 輸入的新混合技術(shù)不需要 AC/DC 適配器，在功率高達(dá) 300 W 和 40 mm 距離的情況下可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 95% 的效率，同時(shí)由于 GaN 技術(shù)的支持而減小了整體尺寸?！肮β士梢詳U(kuò)大，再現(xiàn)電動(dòng)汽車充電等大規(guī)模應(yīng)用的適用性。95% 是在 10 毫米的距離處實(shí)現(xiàn)的，這是我們使用 Qi 標(biāo)準(zhǔn)所能達(dá)到的兩倍，而 Qi 標(biāo)準(zhǔn)在 5 毫米處的效率通常不超過 70%，代表了感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的真正突破，”斯皮內(nèi)拉說。

齊標(biāo)準(zhǔn)

無線電力傳輸Qi系統(tǒng)由基站和移動(dòng)設(shè)備兩個(gè)基本模塊組成，如圖1所示?；景ㄒ粋€(gè)或多個(gè)能夠提供無線電力傳輸?shù)碾娏Πl(fā)射器，原理上由一個(gè)電源組成。轉(zhuǎn)換單元和控制和通信單元。各種子系統(tǒng)具有模擬功能，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)稱為初級(jí)線圈的線圈；負(fù)責(zé)控制電力傳輸過程并與系統(tǒng)其他部分通信的數(shù)字功能。

圖 1：典型的無線充電系統(tǒng)使用發(fā)射器中的初級(jí)線圈和接收器中的次級(jí)線圈之間的磁耦合來傳輸電力和交換數(shù)據(jù)（來源：意法半導(dǎo)體）

該移動(dòng)設(shè)備包括單個(gè)功率接收器，該功率接收器又由功率收集單元和控制和通信單元組成。在與變送器相同的級(jí)別上，我們有一個(gè)模擬子系統(tǒng)和另一個(gè)用于過程優(yōu)化的數(shù)字子系統(tǒng)。從基站到移動(dòng)設(shè)備的實(shí)際功率傳輸顯然是通過兩個(gè)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的電感耦合實(shí)現(xiàn)的：一旦放置得很近，這些線圈就會(huì)在空氣中產(chǎn)生一個(gè)諧振變壓器，諧振頻率約為 100 kHz . 這種電力傳輸還由系統(tǒng)邏輯持續(xù)監(jiān)控和控制，以根據(jù)設(shè)備本身的當(dāng)前狀態(tài)（例如，電池充電過程的完成）施加不同的電力需求。

該技術(shù)目前可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 30 W 的無線電力傳輸，工作頻率為 100-200 kHz，距離可達(dá) 5 mm。

E 2瓦技術(shù)

Eggtronic 擁有約 200 項(xiàng)專利，成立于 2012 年，專注于能量轉(zhuǎn)換和無線電力。多年來，它已經(jīng)能夠通過電感和電容解決方案將其專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于各種消費(fèi)者解決方案：Eggtronic 已經(jīng)從 VC 籌集了超過 2000 萬美元，幾周前的新聞中提到了歐洲投資銀行 (EIB)正在考慮向 Eggtronic 提供 1500 萬美元的貸款。“在Qi標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，我們已經(jīng)服務(wù)于多家汽車企業(yè)。最近，我們決定提高解決方案的集成度，以便推出能夠提高性能和功能的專有標(biāo)準(zhǔn)。因此，我們開發(fā)了自己的 ASIC，完全由我們?cè)O(shè)計(jì)并由臺(tái)積電制造，”Spinella 說。

E 2 WATT 是 Eggtronic 的最新無線技術(shù)（圖 2）；它直接由交流電源供電，無需外部電源。它是一種混合無線交流電源解決方案，既是電源又是無線充電器?！拔覀兊哪繕?biāo)是獲得比同等有線電源裝置更好的產(chǎn)品。從排放和安全的角度來看，它被認(rèn)證為電源，當(dāng)然它是一種無線電力傳輸技術(shù)，”Spinella 說。

E 2WATT 專注于 Navitas 的 GaN 技術(shù)，從而突出了硅達(dá)到一定水平的難度。硅的問題在于開關(guān)頻率：你被限制在 100 kHz 左右，如果你試圖更努力地驅(qū)動(dòng)它，你會(huì)得到熱量、復(fù)雜性和無法控制的成本。然后是低頻磁體的問題，它不夠快，當(dāng)你試圖以那個(gè)速度開車時(shí)，它們變得太慢了。許多人使用會(huì)引入大量開關(guān)損耗的“硬開關(guān)”拓?fù)?，?dāng)您提高頻率時(shí)，由于寄生電感增加，效率會(huì)下降。此外，舊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)控制 IC 的運(yùn)行速度也不夠快。因此，第一步是通過 GaN 技術(shù)解決開關(guān)問題。Navitas 的 GaNFast 解決方案包括一個(gè) GaN 開關(guān)——一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)——在與 GaN 功率器件相同的芯片上集成了單片集成的模擬驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字邏輯電路。GaNFast 電源 IC 的額定頻率為 2 MHz。高速運(yùn)行可顯著降低快速充電系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換尺寸和成本。

除了 GaN 技術(shù)，Microchip Technology 的 dsPIC33 微控制器具有 u 核 DSP、高速 ADC 和高分辨率 PWM，使 E 2 WATT 系統(tǒng)的數(shù)字架構(gòu)能夠在優(yōu)化充電距離的同時(shí)提供傳輸反饋控制。Spinella 指出，由于其專有的接收器技術(shù)，該平臺(tái)可以顯著降低接收器溫度。

圖 2：E2WATT 效率（來源：Eggtronic）

圖 3：E2WATT 技術(shù)框圖（來源：Eggtronic）

“圖 3 顯示了 E 2的框圖瓦。在發(fā)射器中，邏輯功能是將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為另一個(gè)交流頻率以激活線圈。然后，基極是 Navitas 的半橋電路，用于刺激 LC 槽，這與 Qi 標(biāo)準(zhǔn)相同。專有架構(gòu)允許直接高輸入電壓，無需串聯(lián) AC/DC 轉(zhuǎn)換器，并且無需使用諧振 LC 槽即可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)，從而確保在每種負(fù)載條件下都能實(shí)現(xiàn) ZVS ，允許從輕負(fù)載到滿負(fù)載的連續(xù)控制，無需使用突發(fā)模式，”Spinella 說。ZVS 顯著降低了關(guān)斷時(shí)的容性開關(guān)損耗，并降低了導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)損耗。它消除了電容性導(dǎo)通損耗。它適用于高頻操作。

在次級(jí)方面，Spinella 強(qiáng)調(diào)接收器既可以用作整流器，也可以用作非耗散調(diào)節(jié)器。這是通過控制傳遞到負(fù)載的有功功率與反射到初級(jí)側(cè)的無功功率之間的比率來實(shí)現(xiàn)的。“無線系統(tǒng)（發(fā)射器和接收器）中的無功功率被最小化，這要?dú)w功于確保系統(tǒng)中最小無功能量的第二個(gè)控制回路，”斯皮內(nèi)拉說。

不可否認(rèn)，無線充電比有線充電更快、更容易、更方便。然而，值得考慮的不僅是效率，還有熱性能，大多數(shù)開發(fā)人員將其視為次要設(shè)計(jì)考慮因素，以便更快地將其產(chǎn)品推向市場(chǎng)。電動(dòng)汽車是大型能源儲(chǔ)存器，以更少的充電頻率提供更多電力的能力是支持電動(dòng)汽車出現(xiàn)的短期目標(biāo)。電池尺寸越大，電流流動(dòng)率和發(fā)熱率越高。將技術(shù)集成到電動(dòng)汽車中，并在城市周圍和車主家中戰(zhàn)略性地安裝充電平臺(tái)，可以在一定程度上消除連接車輛充電的需要。

審核編輯：湯梓紅