Применение eGaN в системах беспроводной передачи энергии

Беспроводная передача энергии – чрезвычайно перспективная область электроники. В рамках рубрики УНИТЕРЫ рассматривались различные примеры ее реализации: от слаботочных зарядных устройств для смартфонов до мощных автомобильных решений. Так, например, компания WiTricity предлагает технологию, позволяющую передавать без проводов от 10 Вт до 3,3 кВт. Силовая часть в таких схемах работает на повышенных частотах 6,78 МГц. Именно в этих приложениях можно наиболее полно раскрыть потенциал eGaN-транзисторов от компании EPC.  

Применение eGaN-транзисторов в системах беспроводной передачи мощности

Рис. 1. Применение eGaN-транзисторов в системах беспроводной передачи мощности

Множество статей в рубрике УНИТЕРА было посвящено нитрид-галлиевым транзисторам. По сравнению со своими кремниевыми собратьями GaN-структуры имеют гораздо более высокий потенциал. Они отличаются высокой удельной мощностью, малым сопротивлением открытого канала, минимальными динамическими потерями. Единственным препятствием на пути их внедрения были технологические сложности производства и проблемы поиска оптимальной структуры силовых компонентов. 

Однако, в последнее время большую часть проблем удалось решить. Например, компания EPC создала улучшенную структуру eGaN-транзисторов, которая по принципам своей работы мало чем отличается от работы обычных полевых MOSFET. Хотя, конечно, несколько важных отличий все-таки есть.

Тем не менее, даже не смотря на то, что eGaN-ключи еще не достигли пика технического совершенства, они уже сейчас в целом ряде приложений выглядят предпочтительнее MOSFET. Это касается в первую очередь скоростных силовых схем: усилителей, импульсных преобразователей, ВЧ-систем и т. д. В таких приложениях желательно иметь как можно более высокие рабочие частоты и минимальные динамические потери. А именно по этим параметрам GaN-транзисторы и опережают MOSFET.

Ярким примером конечных устройств, в которых сочетаются высокие рабочие частоты и значительная мощность, являются системы беспроводной передачи энергии. Здесь стоит упомянуть о компании WiTricity и ее одноименной технологии, о которой ранее рассказывалось в одной из статей УНИТЕРЫ. Эта технология позволяла создавать как маломощные 10 Вт зарядные устройства для смартфонов, так и мощные 3,3 кВт беспроводные зарядные устройства для автомобилей.

WiTricity использует особую резонансную схему с согласующей цепочкой в передающем и приемном трактах (рис. 2). При этом рабочая частота переключения силовых ключей составляет 6,78 МГц.

 Схема системы беспроводной передачи мощности WiTricity

Рис. 2. Схема системы беспроводной передачи мощности WiTricity

Если для кремниевых низковольтных транзисторов легко достигаются рабочие частоты до единиц ГГЦ, то для силовых кремниевых ключей проблемы начинаются уже при скоростях переключения до 1 МГц. Частота 6,78 МГц вообще оказывается где-то на границе теоретически достижимых значений. Именно в таких случаях eGaN-транзисторы и способны ярко продемонстрировать свои преимущества. Чтобы доказать это, сотрудники компании EPC провели интересный эксперимент.

В ходе лабораторных испытаний анализировалась эффективность работы схемы усилителя мощности класса D. Эта схема идентична той, что показана на рис. 2. При этом в одном случае в силовом каскаде использовались MOSFET типа BSZ130N03LS-G (корпус PG-TSDSON-8). А во втором случае силовой каскад строился на eGaN-транзисторах EPC2014.

EPC2014 – eGaN-транзистор, выполненный в миниатюрным корпусе 1,702 x 0,837 x 0,815 мм (рис. 3). При столь малых размерах EPC2014 имеет рейтинг напряжения 40 В и уровень постоянного тока до 10 А. Импульсный ток и вовсе достигает 40 А. Сопротивление открытого канала 12 мОм и малая входная емкость 300 пФ позволяют минимизировать уровень статических и динамических потерь.

Внешний вид и габариты транзистора EPC2014 от EPC

Рис. 3. Внешний вид и габариты транзистора EPC2014 от EPC

Выбор транзисторов был не случаен. EPC2014 и BSZ130N03LS-G имеют практически равное значение сопротивления открытого канала. При этом рейтинг напряжения у EPC2014 выше – 40 В против 30 В у MOSFET.

Стоит также отметить, что особенностью схемы был и тот факт, что переключение транзисторов происходило при нулевых токах (так называемое мягкое переключение). Казалось бы, все это должно минимизировать разницу в результатах. Тем не менее, даже и в таких условиях eGaN-ключи показали свое превосходство (рис. 4).

Результаты использования различных транзисторов в системе передачи мощности

Рис. 4. Результаты использования различных транзисторов в системе передачи мощности

При работе на частотах 6,639 МГц сокращение мощности потерь при использовании EPC2014 составило 24%, а КПД вырос в среднем на 4 %. То есть при номинальной мощности 10 Вт, MOSFET терял дополнительно 0,4 Вт, что не так уж и мало.

Если аналогичные результаты аппроксимировать на более мощные приложения, то eGaN-транзисторы окажутся еще более привлекательными. При этом с ростом технологического совершенства их преимущество над MOSFET будет только расти.

Характеристики комбинированного датчика EPC2014:

  • рейтинг напряжения сток-исток: 40 В;
  • постоянный ток: 10 А;
  • импульсный ток: 40 А;
  • пороговое напряжение: 1,4 В (типовое);
  • сопротивление открытого канала: 12 мОм (типовое);
  • диапазон рабочих температур: −40…150°C
  • корпусное исполнение: 1,702 x0,837 x0,815 мм.
Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC2014
EPC2014
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371544 ИНФО PDF AN
Доступно: 10067 шт.
Выбрать
условия
поставки
eGaN (Нитрид Галлия) FET транзистор 40V 10A
EPC2014
10067 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()