近年来,配备无线充电功能的消费产品推动了无线充电的快速发展。无线充电的普及要求器件可以在6.78 MHz和13.56 MHz的更高频率ISM频段工作。共振系统在该频段允许高效率和高空间自由度。在这些高频率下,传统的硅基技术已经接近其性能极限。

作为硅基功率MOSFET的替代器件 -- 增强型eGaN FET的开关转换速度在亚纳秒范围内,并且可以在高频、高压下工作,因此成为无线电源应用的理想器件。

氮化镓(GaN)器件是硅基MOSFET和功率集成电路的替代器件,这个共识最近获得多个业界竞争对手的认同。例如在PCIM Europe 2017研讨会上,松下在Bodo杂志的文章中提出了“功率晶体管宝座的新竞争者——GaN如何威胁了MOSFET称皇”。而GaN Systems公司的首席执行官在其演讲中也表示,GaN技术将接管MOSFET世界。

共振无线电源系统使用松散耦合并且高度共振的线圈,可调谐到高频率(6.78 MHz或13.56 MHz)。AirFuel Alliance已开发了一个针对共振无线电源应用的标准。该标准满足了方便使用的各种要求,例如发射器到设备的距离、设备的方向、单个发射器对多个设备同时充电,以及各种需要不同功率的设备。随着技术变得成熟和用户要求更好的无线充电体验,包括更高功率和更大的充电面积(例如办公桌面的面积),新的挑战正在出现。这些要求导致了更大的电流、更高的电压和在放大器中会产生更多的热量。

以上都是工程师们谈论的热门议题。

Michael de Rooij博士在2017年6月28日于上海世博展览馆举行的亚太区PCIM 2017研讨会上,与工程师们分享了用于大功率、高度共振无线功率传输应用并在6.78 MHz频率下工作,采用各种放大器拓扑结构的比较。 Michael de Rooij_PCIM 2017_062817_ww Michael de Rooij博士在PCIM现场演讲

De Rooij博士在根据AirFuel Class 4标准、可对负载提供最大33 W的功率的高度共振无线电源系统中、工作在6.78 MHz频率下,采用不同的差分模式Class E和ZVS Class D放大器拓扑结构,取得不同的实验验证结果,可让工程师作出比较。

以下是Michael与《电子工程专辑》总分析师于上海举行的PCIM 2017研讨会后的对话。

**分析师:请问你EPC氮化镓技术最新的发展进程是什么?与业界其它发展氮化镓技术的公司的产品相比,有什么不同? **

Michael de Rooij:每一家公司的技术都有各自的方程式及专注应用。我们最近推出基于第五代氮化镓eGaN技术的产品系列,无论在性能及成本上都实现质的飞跃 -- 产品具备更高的性能、小型化及更低的成本。这是由于我们可以降低场效应晶体管的导通电阻,这代表在相同的导通电阻下(RDSon),可以减少COSS ,从而可以实现从所未有这么高的效率。EPC2045(7 mΩ、100 V)及EPC2047(10 mΩ、200 V)氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)在性能得到显著提升。EPC2046(25 mΩ、200 V)更比等效MOSFET小型化12倍。在应用方面,EPC2045应用于开放式伺服器架构以实现48 V转至负载的单级电源转换、负载点(POL)转换器、USB-C及激光雷达(LiDAR)等应用。EPC2046的应用包括无线充电。EPC2047用于PV逆变器及其它高压DC/DC或DC/AC转换器。

此外,客户非常关注产品的可靠性,尤其是基于全新的技术的产品。诚然,要展示全新技术的可靠性是一个很大的挑战。我们已经发布了第九阶段可靠性测试报告,记录了受测的器件在累计超过900万个器件-小时的应力测试后,完全没有器件发生任何故障。该报告聚焦受测的器件都通过了热机械可靠性测试,以及与可比的封装器件相比,采用晶圆级芯片规模封装(WLCSP)的氮化镓晶体管具备更卓越的可靠性,不需要封装的时代来临了。现在,工程师可以利用报告所描述的模型来预测器件在不同压力下的可靠性及会否发生故障的情况。

分析师:你们有没有进一步开发基于氮化镓技术的集成电路?

Michael de Rooij:有的。我们的全新集成电路系列加入了新成员-- EPC2111氮化镓半桥功率晶体管,它可以帮助工程师提高整个负载点系统应用的效率,在14 A、12 V转到1.8 V、5 MHz开关时实现超过85%效率,以及在10 MHz开关时实现超过80%效率。

**分析师:氮化镓技术是否主要应用于射频、电源供电的领域? **

Michael de Rooij:不是的。氮化镓可以应用于其它很多的领域,例如由于氮化镓技术大大提升分辨率(resolution),从而推动了近来热门的激光雷达(LiDAR)系统的发展。

分析师:氮化镓场效应晶体管( GaN FET)替代 MOSFET的优势是什么? 在性能及成本上的比较如何?

Michael de Rooij:与MOSFET相比,氮化镓场效应晶体管可以使得转换器在更高的频率下工作和实现更高的效率。结果是实现小型化转换器,从而可以提高性能及降低成本。

分析师:基于氮化镓技术的无线充电产品的下一步发展路线图是什么?

Michael de Rooij:氮化镓技术已经被证实为可以在高度共振无线充电应用中比MOSFET的性能更优越。氮化镓晶体管可以提高无线功率转换器的功率,从而实现从无线充电到无线供电。这样,无线电源可以覆盖更大的面积,例如办公室的桌面可以对笔记本电脑、电脑显示器、桌灯及手机进行无线充电/供电。

分析师:你认为氮化镓基的无线充电系统何时会真正普及化?为什么会普及化?业界有不同的意见认为无线充电还有很多障碍需要跨越。

Michael de Rooij:无线充电的普及是一个过程,而在这个过程中,我们需要跨越很多在技术和条例限制方面所遇到的障碍。由于无线充电非常方便,它的发展是必然的。要待更多制造商制造更多使用无线充电的产品后,普及化会加速。正如我们已经看到,Dell在2017年1月宣布他们将于7月推出配备无线充电功能的笔记本电脑。此外,多间公司正在生产信用卡大小的无线电源接受器,可安装于 你的手机上。

分析师:请问有没有氮化镓器件与其它等效器件的比较数据或图表?

Michael de Rooij:有的,但资料非常详尽及繁多,希望你的读者可以参考我们的《无线电源手册》第二版。关于该书本,请访问我们的网站(www.epc-co.com.cn)。

当分析师问到氮化镓器件在具体应用上有什么进展时,Michael分享了氮化镓在无线充电消费市场的最新发展,就是戴尔(Dell)刚刚推出的Latitude7285,是全球首部可利用无线充电的二合一产品。它是基于氮化镓技术并利用WiTricity的磁共振无线充电技术, 为我们的工作间提供自由自在、没有电源线的环境。

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