Eggtronic 為電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)基于 GaN 的無線充電

Eggtronic 獲得專利的交流無線電源混合技術(shù)旨在提高家用和汽車 應(yīng)用無線充電應(yīng)用的功率和效率。

Eggtronic 的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人 Igor Spinella 表示，被稱為 E ² WATT 的專有技術(shù)由 GaN 半橋和 dsPIC33 微控制器支持。這種安排融合了傳統(tǒng)的電源適配器和 Qi 無線發(fā)射器，提高了效率以克服 Qi 無線功率傳輸標(biāo)準(zhǔn)帶來的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng) Qi 無線功率受限于距離（通常為 5 毫米）和最大功率（高達(dá) 30 W）。過熱是另一個(gè)問題：快速充電后，熱保護(hù)被激活，從而停止充電。“我們的解決方案以正確的方式引導(dǎo)磁場，避免了過熱問題，不僅符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)，而且還提供與未經(jīng) Qi 認(rèn)證的新 Apple 12 的兼容性，從而為汽車和用于消費(fèi)者應(yīng)用，”斯皮內(nèi)拉說。

       隨著電動(dòng)汽車進(jìn)入快車道，技術(shù)發(fā)展正在轉(zhuǎn)向關(guān)鍵領(lǐng)域，從增強(qiáng)電源管理到更快的充電方案。所有這些都將有助于重塑電網(wǎng)。我們在即將到來的電動(dòng)汽車特別項(xiàng)目中深入了解。

他補(bǔ)充說，采用 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 毫米距離的情況下可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 95% 的效率，同時(shí)借助 GaN 技術(shù)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，[并且] 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)拉聲稱。

用于無線電力傳輸的 Qi 系統(tǒng)  由兩個(gè)基本模塊組成，基站和移動(dòng)設(shè)備， 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。它原則上由一個(gè)功率轉(zhuǎn)換單元和一個(gè)控制和通信單元組成。各種子系統(tǒng)具有負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)初級線圈的模擬功能和控制電力傳輸過程的數(shù)字功能，同時(shí)與系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行通信。

該移動(dòng)設(shè)備包括單個(gè)功率接收器，該功率接收器由功率收集單元以及控制和通信單元組成。與變送器處于同一級別的是用于過程優(yōu)化的模擬和數(shù)字子系統(tǒng)。從基站到移動(dòng)設(shè)備的實(shí)際電力傳輸是通過兩個(gè)初級線圈和次級線圈之間的電感耦合實(shí)現(xiàn)的：一旦靠近放置，這些線圈就會(huì)在空氣中形成一個(gè)諧振變壓器，諧振頻率約為 100 kHz。電源傳輸由系統(tǒng)邏輯不斷監(jiān)控和控制，以根據(jù)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)對不同的電源要求進(jìn)行控制。（例如，完成一次電池充電過程。）

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。

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。它最近通過電感和電容方法專注于各種消費(fèi)者設(shè)計(jì)。該公司已經(jīng)籌集了超過2000萬美元。

“基于 Qi 標(biāo)準(zhǔn)，我們已經(jīng)為許多汽車公司提供服務(wù)，”Spinella 說。“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，完全由我們設(shè)計(jì)并由臺積電制造?！?

E ² WATT 是其最新的無線技術(shù)（ 見圖 2）。它直接由交流電源供電，無需外部電源?；旌蠠o線交流電源方法既可用作電源，又可用作無線充電器。“我們的目標(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)，”斯皮內(nèi)拉說。

E ² WATT 使用 Navitas Semiconductor的 GaN 技術(shù)，突出了硅無法提供足夠的開關(guān)頻率，例如，開關(guān)頻率限制在 100 KHz 左右。驅(qū)動(dòng)越困難，產(chǎn)生的熱量就越多，復(fù)雜性和成本也越高。同時(shí)，低頻磁在以相應(yīng)速度運(yùn)行時(shí)太慢?！坝查_關(guān)”拓?fù)涫且环N選擇，但它們會(huì)引入開關(guān)損耗；當(dāng)頻率增加時(shí)，效率會(huì)因寄生電感增加而下降。

此外，舊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的控制 IC 也跟不上。因此，第一步是嘗試使用 GaN 技術(shù)解決開關(guān)問題。Navitas 的 GaNFast 方法包括一個(gè) GaN 開關(guān)（一種場效應(yīng)晶體管），以及與 GaN 功率器件集成在同一芯片上的單片集成模擬驅(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)行可減小快速充電系統(tǒng)的尺寸和功率轉(zhuǎn)換成本。

除了 GaN 技術(shù)，Microchip Technology 的 dsPIC33 微控制器具有 u 核 DSP、高速 ADC 和高分辨率脈寬調(diào)制，使 E ² WATT 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 表示，得益于其專有的接收器技術(shù)，該平臺可以顯著降低接收器溫度。

E ² WATT 發(fā)射器（圖 3）使用邏輯將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為另一個(gè)交流頻率以激活線圈。底座由Navitas 的半橋電路組成，用于激發(fā)LC 槽，符合Qi 標(biāo)準(zhǔn)。該架構(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 諧振回路即可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)，確保在大多數(shù)負(fù)載條件下都能實(shí)現(xiàn) ZVS。Spinella 說，它還允許從輕負(fù)載到滿負(fù)載的連續(xù)控制，而無需使用突發(fā)模式。

E2WATT 技術(shù)框圖

ZVS 還降低了關(guān)斷和開通時(shí)的電容性開關(guān)損耗，從而消除了電容性開通損耗。這使其適用于高頻操作。

接收器既可用作整流器，也可用作無耗散穩(wěn)壓器。這是通過控制傳遞到負(fù)載的有功功率與反射到初級側(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] 中的無功功率使用第二控制回路最小化，以確保系統(tǒng)中的無功能量最小，Spinella 補(bǔ)充道。

不可否認(rèn)，無線充電比有線充電更快、更容易、更方便。它不僅效率更高，而且提供更好的熱性能。后者通常被開發(fā)人員視為次要設(shè)計(jì)考慮因素，以便更快地將其產(chǎn)品推向市場。

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)汽車采用的短期目標(biāo)。更大的電池尺寸，更高的電流流動(dòng)率和發(fā)熱也是考慮因素。因此，將技術(shù)集成到電動(dòng)汽車中并安裝市政和私人充電站最終可以減少連接車輛進(jìn)行充電的需求。