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依元件逐一改善能效 無線輸電朝更高效率邁進

無線充電技術不斷推陳出新,其功率與效率也日益精進,滿足更多元的應用需求,包含智慧穿戴、智慧醫療,甚至是機器人等類型。本文將深入探討如何透過磁共振技術,繼續強化無線充電的效率,為無線充電產業開啟新契機。

業界開發符合AirFuel聯盟標準的高度諧振無線電源系統並不斷精益求精,目標是提高系統的性能、效率及讓使用者體驗系統的設計更符合他們的需要。無線電源系統的應用也繼續演進,包括從消費性電子,以至機器人、擴增實境/虛擬實境和衛生保健等應用。當無線電源越來越普及化時,對效率的關注及要求,變得越來越重要。而當業界訂立了無線電源的效率標準後,必需找出實現高度諧振無線電源系統的最高效率的各種可行方法。

正如任何的電力電子轉換器一樣,效率取決於負載,而在整個工作範圍內測量所得的效率,也是取決於不同的負載及特定的工作/應用條件。由於不同的電源構建模組的交互影響,因此影響高度諧振無線電源系統的效率的因素變得非常複雜。

要實現每個構建模組的最高效率並不容易,但可以透過管理控制器來符合特定的工作條件。從目前的無線電源設計,要進一步提高效率,必須提高包括線圈、整流器、放大器及控制器的效率,從而在各種特定的工作條件下,改善整體的效率,並且符合能效的所需標準。本文探討如何提升整體的系統效率,包括採用氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)。

系統架構

圖1展示出高度諧振無線電源系統的架構原理圖,該系統符合AirFuel聯盟的無線電源標準並工作在6.78MHz頻率。該系統也包括前置穩壓器,可以從標準的交流電供電,轉換至所需的直流電電壓、從而對放大器供電。放大器對天線的線圈提供6.78MHz頻率訊號。接收線圈對整流器發出訊號,從而把6.78MHz交流電訊號,轉換至整流後的直流電。這個直流電電壓,透過後置穩壓器轉換至符合負載的要求。典型的系統效率是55~73%,可以引致增加熱能及不必要的能耗。

圖1 無線電源系統的原理圖及典型和目標效率

以下的幾個部分涵蓋無線電源系統,包括考慮所有元件,例如放大器(逆變器)、整流器及線圈組,目的是瞭解如何優化每個元件以實現最高的系統效率,從而實現10%或以上的效率增益。

前置穩壓器

前置穩壓器是一個控制放大器的DC-DC轉換器,從而構成包含放大器的功率轉換裝置。發射(TX)線圈的測量數據用來控制前置穩壓器。取決於不同的放大器拓撲,穩壓器的輸出DC電壓可以具寬泛範圍或者是小範圍,這會影響選擇合適的拓撲。選擇E類放大器需要相對地小範圍的輸入電壓,因此,只需選擇一個簡單的降壓轉換器,就可以實現更高效的解決方案。

當前置穩壓器用作無線電源系統放大器的穩壓器,穩壓器採用異常的工作配置,會導致難以採用已經發布的效率,來比較DC-DC轉換器的性能。可是在10~60W功率範圍內,預期可以實現到93~97%的效率。

放大器

本文探討了多個無線功率系統的拓撲,最常用的是D類及E類放大器拓撲。雖然,每種拓撲具備不同的優勢,可是,在10~60W功率範圍內、採用差分模式的E類放大器拓撲及採用氮化鎵場效應電晶體,是最高效及成本最低的拓撲,如圖2所示。從功率MOSFET轉用氮化鎵場效應電晶體並工作在6.78MHz的頻率下,功耗可以降低30%或以上。

圖2 於無線電源應用,採用差分模式E類放大器拓撲的電路原理圖

發射及接收線圈組

目前沒有具備更高的額定功率的商用線圈組,因為大部份是針對不同應用而設計的專有線圈組。線圈套裝的效率基於每組線圈的品質因素Q、耦合係數k和接收線圈的負載阻抗,從分析得出線圈的效率,以及圖3展示出一組線圈的結果。

圖3 作為AC負載阻抗的函數的線圈效率的範例,具有不同的a)品質因數Q,及b)耦合係數k

例如,基於AirFuel Class 4的發射線圈(33W)與Category 6的接收線圈(25W)的組合。當線圈的負載阻抗是10~20Ω、k是10%時,可取得峰值效率。圖4(a)展示出Q的影響,可以看到,當Q值減半(即低Q值),效率會下降。請留意發射線圈的Q對效率影響更大,尤其是在高負載阻抗時。此外,當降低接收器的負載阻抗時,將快速降低效率,這種情況在提升功率時也會發生。這時,接收器的控制將非常重要。

圖4 整流器拓撲a)全橋式二極體,及b)同步整流器E類拓撲

耦合係數k對效率的影響也非常大,如圖3(b)所示。針對鬆散耦合、高度諧振線圈,k通常低於20%,取決於線圈的設計及TX與RX的距離。每一個k係數都有特定的負載阻抗範圍,從而取得最高效率。

從圖3(a)及4(b)可以看到,Optimal Range的區域代表這些線圈配置的最高效的工作範圍。當設計整個無線功率系統時,接收器內的控制器的負載範圍必需儘量保持在這個框線的工作條件區域內,尤其是在更高的功率時。當然,到某個測量點,負載功率會降低而線圈不可能繼續工作在Optimal Range區域。但是,由於功率已經大大降低,對整體的系統效率的影響並不是這麼重要了。

整流器

整流器的功耗主要來自開關功耗,整流器通常用作簡單的二極體,如圖4(a)所示。就算使用Schottky二極體,也是具高導通損耗。除非使用替代二極體的氮化鎵場效應電晶體並採用全新的拓撲,才可以實現更低的導通損耗、提升系統效率而同時提升電壓性能。圖4(b)展示出採用EPC2012 C的16W、E類放大器拓撲的效率被證明提升了4%,實現整個負載的效率達92%至96%。

後置穩壓器

後置穩壓器負責把整流後的功率轉換至負載所需的電壓。但是,系統如果要保持在最高效率,也可以如圖3的最高效綠色區域內,利用後置穩壓器對RX穩壓,從而維持TX的最高負載阻抗。後置穩壓器的最高效拓撲是SEPIC轉換器或降壓(Buck)轉換器,取決於負載的電壓與整流器的輸出電壓範圍比較。

提升功率/效率 無線充電關鍵下ㄧ步

高度諧振無線功率系統日漸普及,包括應用於消費性電子、工業及醫療應用。這是由於這些系統具備高度自由空間及不需要電源線。如果可以實現更高的整體系統效率,無線功率系統的普及化將得以進一步加速。

本文探討了無線電源系統內的每一個主要構建模組,以及分享了選擇合適的拓撲、元件及控制器可以讓天線系統維持其峰值效率、降低功耗約30%及使得無線功率可以實現使用電源線的傳統系統的相同效率範圍。

(本文作者分別為宜普應用工程副總裁、應用工程總監、首席執行長及共同創辦人)

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