高效无线功率传输放大器拓扑分析

以前，eGaN FET在松耦合无线功率传输解决方案中已展示出更高的效率。当使用ZVS D类或E类放大器[1、2、3、4、5]进行谐振时，会发生这种情况。然而，实用的无线电力系统需要解决此类系统的便利性因素，这会导致反射线圈阻抗随着负载和耦合的变化而明显偏离共振。这些系统仍然需要向负载供电，因此放大器需要在很宽的阻抗范​​围内驱动线圈。诸如A4WP 3类的标准已经定义了宽泛的线圈阻抗范围，该范围解决了便利因素，可以用作比较放大器性能的起点。

在这套Wi GaN中，ZVS D类和E类放大器都将在A78WP A类3类标准的6.78 MHz下进行测试，并以减小的阻抗范围确定固有的工作范围极限。诸如器件温度和电压限制之类的因素将决定每个放大器能够驱动的负载阻抗范围的界限。

A4WP 3类标称工作范围

A4WP 3类标准定义了一个宽阻抗范围-虚数范围为+ 10jΩ至-150jΩ，实数范围为1Ω至56Ω。这是必不可少的，因为放大器需要能够以800 mARMS的额定电流驱动，当输出功率达到16 W时，该额定电流就会降低。整个阻抗范围在图1的史密斯圆图上用蓝色阴影区域显示，并且也称为四个角。由于范围如此之宽，因此可以旋转阻抗范围以提高驱动线圈的放大器的效率和性能。在某些情况下，此阻抗旋转称为自适应匹配，因为电路有源会寻求找到最合适的线圈工作阻抗，并由蓝色虚线圆弧表示（无特定旋转）。

鉴于A4WP 3类阻抗范围如此之大，无线电力系统设计的第一步就是确定实际的工作阻抗范围。一旦知道，该值将确定自适应匹配覆盖整个3类范围所需的离散步数。放大器的实际限值包括额定设备电压限值，温度限值，在某些情况下还包括电源电压限值。在此实验分析中，将在28°C的工作环境中使用额定电压的80％的器件电压极限和100°C的器件温度极限（通过红外摄像头观察）。

高效无线功率传输放大器拓扑

将分析两种高效放大器拓扑，即D类ZVS和单端E类。每种放大器拓扑的原理图和理想工作波形如图2所示。

ZVS D类拓扑利用非谐振ZVS储能电路允许开关节点在开关转换之间进行自换相，从而有效地消除了D类器件的输出电容（COSS）相关损耗执行。

单个设备的E类拓扑利用谐振频率Le和Csh（谐振频率不同于工作频率）来建立ZVS所需的条件。在这种设计中，输出电容（COSS）有效地与Csh并联，因此成为建立ZVS所需的谐振电路的一部分。在某些情况下，随着外部电容器Csh的值减小到零，E类的设计将被限制为COSS的值。

设备比较

[5]中定义的无线功率传输品质因数（FOMWPT）被用于将eGaN FET与同类最佳MOSFET进行比较，如图3所示。高级器件的FOMWPT值较低。从FOMWPT可以清楚地看出，eGaN FET固有地在两种放大器拓扑中均表现出潜在的优越性能。

编辑：hfy