基于GaN的电动汽车无线交流传输技术

E 2 WATT 是 Eggtronic 创造的一项新的专利交流无线电源混合技术，旨在提高家用电器和汽车领域无线充电应用的功率和效率。

Eggtronic 首席执行官兼创始人 Igor Spinella 在接受 EE Times 采访时指出，该技术由 GaN 半桥和 dsPIC33 微控制器支持，并融合了传统的电源适配器和 Qi 无线发射器，确保提高效率以克服困难齐标准。

传统 Qi 无线功率受限于距离（通常为 5 毫米）和最大功率（通常高达 30 W）。Qi 标准要考虑的另一个方面是过热：在快速充电一段时间后，热保护被激活，从而停止充电。“我们的解决方案以正确的方式引导磁场，不仅避免了 Qi 标准的过热问题，而且还提供了与未经 Qi 认证的新 Apple 12 的兼容性，从而不仅为汽车，而且为汽车铺平了道路。也适用于消费者应用，”Igor Spinella 说。

Spinella 指出，具有 AC 输入的新混合技术不需要 AC/DC 适配器，在功率高达 300 W 和 40 mm 距离的情况下可实现高达 95% 的效率，同时由于 GaN 技术的支持而减小了整体尺寸。“功率可以扩大，再现电动汽车充电等大规模应用的适用性。95% 是在 10 毫米的距离处实现的，这是我们使用 Qi 标准所能达到的两倍，而 Qi 标准在 5 毫米处的效率通常不超过 70%，代表了感应标准的真正突破，”斯皮内拉说。

齐标准

无线电力传输Qi系统由基站和移动设备两个基本模块组成，如图1所示。基站包括一个或多个能够提供无线电力传输的电力发射器，原理上由一个电源组成。转换单元和控制和通信单元。各种子系统具有模拟功能，负责驱动称为初级线圈的线圈；负责控制电力传输过程并与系统其他部分通信的数字功能。

图 1：典型的无线充电系统使用发射器中的初级线圈和接收器中的次级线圈之间的磁耦合来传输电力和交换数据（来源：意法半导体）

该移动设备包括单个功率接收器，该功率接收器又由功率收集单元和控制和通信单元组成。在与变送器相同的级别上，我们有一个模拟子系统和另一个用于过程优化的数字子系统。从基站到移动设备的实际功率传输显然是通过两个初级线圈和次级线圈之间的电感耦合实现的：一旦放置得很近，这些线圈就会在空气中产生一个谐振变压器，谐振频率约为 100 kHz . 这种电力传输还由系统逻辑持续监控和控制，以根据设备本身的当前状态（例如，电池充电过程的完成）施加不同的电力需求。

该技术目前可实现高达 30 W 的无线电力传输，工作频率为 100-200 kHz，距离可达 5 mm。

E 2瓦技术

Eggtronic 拥有约 200 项专利，成立于 2012 年，专注于能量转换和无线电力。多年来，它已经能够通过电感和电容解决方案将其专业知识应用于各种消费者解决方案：Eggtronic 已经从 VC 筹集了超过 2000 万美元，几周前的新闻中提到了欧洲投资银行 (EIB)正在考虑向 Eggtronic 提供 1500 万美元的贷款。“在Qi标准的基础上，我们已经服务于多家汽车企业。最近，我们决定提高解决方案的集成度，以便推出能够提高性能和功能的专有标准。因此，我们开发了自己的 ASIC，完全由我们设计并由台积电制造，”Spinella 说。

E 2 WATT 是 Eggtronic 的最新无线技术（图 2）；它直接由交流电源供电，无需外部电源。它是一种混合无线交流电源解决方案，既是电源又是无线充电器。“我们的目标是获得比同等有线电源装置更好的产品。从排放和安全的角度来看，它被认证为电源，当然它是一种无线电力传输技术，”Spinella 说。

E 2WATT 专注于 Navitas 的 GaN 技术，从而突出了硅达到一定水平的难度。硅的问题在于开关频率：你被限制在 100 kHz 左右，如果你试图更努力地驱动它，你会得到热量、复杂性和无法控制的成本。然后是低频磁体的问题，它不够快，当你试图以那个速度开车时，它们变得太慢了。许多人使用会引入大量开关损耗的“硬开关”拓扑，当您提高频率时，由于寄生电感增加，效率会下降。此外，旧的拓扑结构和传统控制 IC 的运行速度也不够快。因此，第一步是通过 GaN 技术解决开关问题。Navitas 的 GaNFast 解决方案包括一个 GaN 开关——一种场效应晶体管 (FET)——在与 GaN 功率器件相同的芯片上集成了单片集成的模拟驱动电路和数字逻辑电路。GaNFast 电源 IC 的额定频率为 2 MHz。高速运行可显着降低快速充电系统的功率转换尺寸和成本。

除了 GaN 技术，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 系统的数字架构能够在优化充电距离的同时提供传输反馈控制。Spinella 指出，由于其专有的接收器技术，该平台可以显着降低接收器温度。

图 2：E2WATT 效率（来源：Eggtronic）

图 3：E2WATT 技术框图（来源：Eggtronic）

“图 3 显示了 E 2的框图瓦。在发射器中，逻辑功能是将来自电网的交流电转换为另一个交流频率以激活线圈。然后，基极是 Navitas 的半桥电路，用于刺激 LC 槽，这与 Qi 标准相同。专有架构允许直接高输入电压，无需串联 AC/DC 转换器，并且无需使用谐振 LC 槽即可实现零电压开关 (ZVS)，从而确保在每种负载条件下都能实现 ZVS ，允许从轻负载到满负载的连续控制，无需使用突发模式，”Spinella 说。ZVS 显着降低了关断时的容性开关损耗，并降低了导通时的开关损耗。它消除了电容性导通损耗。它适用于高频操作。

在次级方面，Spinella 强调接收器既可以用作整流器，也可以用作非耗散调节器。这是通过控制传递到负载的有功功率与反射到初级侧的无功功率之间的比率来实现的。“无线系统（发射器和接收器）中的无功功率被最小化，这要归功于确保系统中最小无功能量的第二个控制回路，”斯皮内拉说。

不可否认，无线充电比有线充电更快、更容易、更方便。然而，值得考虑的不仅是效率，还有热性能，大多数开发人员将其视为次要设计考虑因素，以便更快地将其产品推向市场。电动汽车是大型能源储存器，以更少的充电频率提供更多电力的能力是支持电动汽车出现的短期目标。电池尺寸越大，电流流动率和发热率越高。将技术集成到电动汽车中，并在城市周围和车主家中战略性地安装充电平台，可以在一定程度上消除连接车辆充电的需要。

审核编辑：汤梓红