GaN aumenta a eficiência em carregadores sem fio de última geração

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Espera-se que os embarques de estações base de carregamento sem fio passem 500 milhões anualmente nos próximos anos, de acordo com a IHS Markit. Esse crescimento é impulsionado pelo número crescente de dispositivos eletrônicos de consumo que suportam ou dependem exclusivamente da energia sem fio para a renovação da bateria.

Não é de surpreender que os engenheiros que projetam carregadores estejam buscando uma vantagem competitiva na construção de dispositivos que produzam maior eficiência, menor área ocupada e menor custo do sistema. Substituir dispositivos HEMT (transistor de alta mobilidade eletrônica) de modo e de nitreto de gálio (GaN) por MOSFETs tradicionais nas tecnologias de amplificadores de classe D e classe E é uma via viável para atingir esses objetivos.

Visão geral do carregamento sem fio

Os carregadores sem fio são semelhantes ao carregamento com fio, pois ambos são modelos de fonte de alimentação comutada (SMPS). No sistema sem fio, o elemento transformador magneticamente acoplado do projeto é dividido entre uma unidade transmissora (o carregador) e um receptor (dispositivo de destino). Vários receptores com diferentes requisitos de energia podem usar o mesmo transmissor.

As técnicas de carregamento sem fio mais usadas atualmente utilizam acoplamento indutivo, operando na faixa de frequência de 100 a 300 kHz. A indução tem bom desempenho para carregamento por contato próximo de dispositivos únicos e pode ser configurada com várias bobinas para alcançar algum grau de flexibilidade de posicionamento. Isso também permite carregar vários dispositivos a cerca de 10 mm de liberdade vertical.

A mudança de transmissores indutivos para ressonância magnética operando em alta frequência (6,78 MHz, conforme definido pela AirFuel Alliance) expande o alcance do campo de carregamento em até 50 mm, permitindo mais flexibilidade para carregar vários dispositivos ao mesmo tempo e permitindo orientação física menos restritiva dos alvos de cobrança. A eficiência é maior no “ponto ideal” de um dispositivo indutivo, mas o dispositivo ressonante tem uma faixa mais ampla, onde pode carregar dispositivos de forma eficiente (Figura 1). Isso permite uma experiência de cobrança “soltar e ir”, em vez de exigir que os usuários prestem muita atenção à maneira como colocam um dispositivo.

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1. Eficiência versus deslocamento é comparada para sistemas de carregamento sem fio indutivo e ressonante.1. Eficiência versus deslocamento é comparada para sistemas de carregamento sem fio indutivo e ressonante.

Os sistemas de carregador sem fio de duas partes consistem em uma unidade transmissora conectada a uma fonte de energia e uma unidade receptora integrada no dispositivo do usuário final (Figura 2). A Infineon, fornecedora de todos os tipos de transistores de potência e os MCUs usados ​​em tais projetos, avaliou como os transistores de potência GaN afetariam o desempenho desse tipo de sistema. 2. O diagrama ilustra os blocos típicos do sistema de transferência de energia sem fio.2. O diagrama ilustra os blocos típicos do sistema de transferência de energia sem fio.

Sabemos que os valores de mérito (FOM) dos dispositivos GaN comparados aos melhores MOSFETs baseados em silício da classe indicam uma melhora no desempenho de quase uma ordem de magnitude. A questão era como isso se traduziria em projetos de sistema usando dispositivos HEMT GaN e-mode no bloco amplificador de potência do transmissor de potência.

Desempenho versus MOSFETs

A avaliação utilizou projetos de amplificadores de potência de classe D e classe E bem compreendidos. Um amplificador de classe D é semelhante em topologia a um inversor dc-ac. São necessárias tensões de entrada relativamente altas (50 a 100 V) para transmitir energia significativa, e a combinação de alta tensão e a frequência de 6,78 MHz chama a ativação da comutação de tensão zero (ZVS). Isso é realizado com uma rede LC para criar uma corrente de forma triangular superior à corrente de carga (Fig. 3).

3. É mostrado um esquema de simulação de classe D com uma rede ZVS.3. É mostrado um esquema de simulação de classe D com uma rede ZVS.

Neste amplificador, a maior contribuição de perda no nível do sistema em mais de 50% é a resistência CC no indutor ZVS e outras instâncias no caminho ZVS. Deve-se prestar atenção ao parâmetro do dispositivo QOSS do indutor para gerenciar melhor essas perdas.

No nível do dispositivo, a maior contribuição de perda vem da carga de porta (QG), portanto, recomenda-se a carga de porta mais baixa e os dispositivos de limite mais baixo. Além disso, como o ZVS não é alcançado em todas as condições operacionais, é importante considerar o impacto de algumas perdas de comutação.

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Considerando todos esses fatores, a comparação de uma topologia de classe D e ZVS com um projeto semelhante de amplificador à base de silício mostra perdas de energia reduzidas na faixa de 30% (Fig. 4). É importante ressaltar que a área do dispositivo dos transistores GaN necessários é metade da dos MOSFETs equivalentes, representando uma duplicação na densidade de potência.

4. O gráfico faz a comparação de perdas entre as soluções GaN e silício.4. O gráfico faz a comparação de perdas entre as soluções GaN e silício.

A topologia de amplificador de potência classe E de extremidade única é composta por um indutor de RF (L1) que fornece corrente a um FET de comutação (Q1), um circuito ressonante e carga (Fig. 5). Quando sintonizado adequadamente e com uma corrente de saída controlada para limitar a perda de potência por condução e perda de corrente de Foucault em L2, um amplificador classe E baseado em GaN alcança desempenho significativamente melhorado em comparação com o mesmo circuito implementado com um MOSFET de silício.

5. Estes são os principais elementos do circuito para um amplificador classe E de extremidade única.5. Estes são os principais elementos do circuito para um amplificador classe E de extremidade única.

Um projeto avaliado em até 16 W foi avaliado com uma carga resistiva a 25 Ω, 15 Ω e 5 Ω. O dispositivo GaN ofereceu eficiência geral aprimorada e foi capaz de suportar uma faixa mais ampla de impedância de carga. A comparação da escala de log em Figura 6 mostra a tensão de saída consistentemente mais alta em níveis de tensão semelhantes alcançados com GaN.

6. COSS versus VDS de um silício e um GaN HEMT.6. COSS versus VDS de um silício e um GaN HEMT.

Considerações sobre design de práticas recomendadas

O principal entre os benefícios de GaN é o requisito de tensão de acionamento de porta reduzida – apenas 5 V, em oposição aos 10 V exigidos pelos MOSFETs de silicone padrão. A carga de porta para um dispositivo GaN é tipicamente um quinto da dos MOSFETs, abrindo caminho para a redução geral de perdas relacionadas ao circuito do driver. No entanto, a ampla faixa de tensão de inversão aceitável para MOSFETs permite uma regulação de tensão relativamente simples e de baixo custo.

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Os projetos que usam GaN exigem um projeto mais preciso de regulação de tensão para evitar sobrecargas que podem causar falha do dispositivo ou reduzir a vida útil da operação. Da mesma forma, a tensão de acionamento de porta deve ser rigidamente controlada, pois a corrente de fuga através da barreira Schottky usada para projetos de GaN pode estar na faixa de miliamperes em vez de nanoamp.

Como observado, os dispositivos GaN suportam uma duplicação da densidade de potência como resultado do baixo RDS (LIGADO) × número da área comparado aos MOSFETs de silicone. Isso potencialmente reduz a área de contato do dispositivo em relação à montagem da placa de circuito impresso e pode afetar a dissipação de energia. Uma atenção cuidadosa ao design da placa de circuito impresso para gerenciar as térmicas pode compensar prontamente esses efeitos.

Em resumo, as implementações do GaN e-mode HEMT podem gerar eficiência aprimorada, tamanho menor e projetos de custo mais baixo das unidades de transmissão de energia sem fio quando comparadas aos MOSFETs de silicone. A chave do sucesso é reconhecer e tirar o máximo proveito dos FOMs aprimorados dos dispositivos GaN no projeto do amplificador de potência. Com toda a atenção, os engenheiros podem obter melhorias de 30% ou mais, economizando em outros elementos de custo do sistema, reduzindo o custo de outros componentes e reduzindo a lista técnica total.

Para mais informações sobre os dispositivos GaN disponíveis na Infineon, clique aqui.

Milko Paolucci é engenheiro de aplicações para consumidores e cargas industriais sem fio na Infineon Technologies AG, e Peter Green é gerente de aplicações para energia renovável na Infineon Technologies Americas Corp.

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