Eggtronic 为电动汽车实现基于 GaN 的无线充电

Eggtronic 获得专利的交流无线电源混合技术旨在提高家用和汽车 应用无线充电应用的功率和效率。

Eggtronic 的首席执行官兼创始人 Igor Spinella 表示，被称为 E ² WATT 的专有技术由 GaN 半桥和 dsPIC33 微控制器支持。这种安排融合了传统的电源适配器和 Qi 无线发射器，提高了效率以克服 Qi 无线功率传输标准带来的挑战。

传统 Qi 无线功率受限于距离（通常为 5 毫米）和最大功率（高达 30 W）。过热是另一个问题：快速充电后，热保护被激活，从而停止充电。“我们的解决方案以正确的方式引导磁场，避免了过热问题，不仅符合 Qi 标准，而且还提供与未经 Qi 认证的新 Apple 12 的兼容性，从而为汽车和用于消费者应用，”斯皮内拉说。

       随着电动汽车进入快车道，技术发展正在转向关键领域，从增强电源管理到更快的充电方案。所有这些都将有助于重塑电网。我们在即将到来的电动汽车特别项目中深入了解。

他补充说，采用 AC 输入的新混合技术不需要 AC/DC 适配器，在功率高达 300 W 和 40 毫米距离的情况下可实现高达 95% 的效率，同时借助 GaN 技术减小了整体尺寸。“功率可以扩大，再现电动汽车充电等大规模应用的适用性。95% 是在 10 毫米的距离处实现的，这是我们使用 Qi 标准所能达到的两倍，[并且] 在 5 毫米处的效率通常不超过 70%，代表了感应标准的真正突破， ”斯皮内拉声称。

用于无线电力传输的 Qi 系统  由两个基本模块组成，基站和移动设备， 如图 1所示。基站包括一个或多个能够提供无线电力传输的电力发射器。它原则上由一个功率转换单元和一个控制和通信单元组成。各种子系统具有负责驱动初级线圈的模拟功能和控制电力传输过程的数字功能，同时与系统的其他部分进行通信。

该移动设备包括单个功率接收器，该功率接收器由功率收集单元以及控制和通信单元组成。与变送器处于同一级别的是用于过程优化的模拟和数字子系统。从基站到移动设备的实际电力传输是通过两个初级线圈和次级线圈之间的电感耦合实现的：一旦靠近放置，这些线圈就会在空气中形成一个谐振变压器，谐振频率约为 100 kHz。电源传输由系统逻辑不断监控和控制，以根据设备的当前状态对不同的电源要求进行控制。（例如，完成一次电池充电过程。）

该技术目前可实现高达 30 W 的无线电力传输，工作频率为 100-200 KHz，距离可达 5 mm。

Eggtronic 拥有约 200 项专利，成立于 2012 年，专注于能量转换和无线电力。它最近通过电感和电容方法专注于各种消费者设计。该公司已经筹集了超过2000万美元。

“基于 Qi 标准，我们已经为许多汽车公司提供服务，”Spinella 说。“我们决定提高解决方案的集成度，以便推出能够提高性能和功能的专有标准。因此，我们开发了自己的 ASIC，完全由我们设计并由台积电制造。”

E ² WATT 是其最新的无线技术（ 见图 2）。它直接由交流电源供电，无需外部电源。混合无线交流电源方法既可用作电源，又可用作无线充电器。“我们的目标是获得比同等有线电源装置更好的产品。从排放和安全的角度来看，它被认证为电源，当然，它是一种无线电力传输技术，”斯皮内拉说。

E ² WATT 使用 Navitas Semiconductor的 GaN 技术，突出了硅无法提供足够的开关频率，例如，开关频率限制在 100 KHz 左右。驱动越困难，产生的热量就越多，复杂性和成本也越高。同时，低频磁在以相应速度运行时太慢。“硬开关”拓扑是一种选择，但它们会引入开关损耗；当频率增加时，效率会因寄生电感增加而下降。

此外，旧的拓扑结构和传统的控制 IC 也跟不上。因此，第一步是尝试使用 GaN 技术解决开关问题。Navitas 的 GaNFast 方法包括一个 GaN 开关（一种场效应晶体管），以及与 GaN 功率器件集成在同一芯片上的单片集成模拟驱动电路和数字逻辑电路。GaNFast 电源 IC 的额定频率为 2 MHz。高速运行可减小快速充电系统的尺寸和功率转换成本。

除了 GaN 技术，Microchip Technology 的 dsPIC33 微控制器具有 u 核 DSP、高速 ADC 和高分辨率脉宽调制，使 E ² WATT 的数字架构能够在优化充电距离的同时提供传输反馈控制。Spinella 表示，得益于其专有的接收器技术，该平台可以显着降低接收器温度。

E ² WATT 发射器（图 3）使用逻辑将来自电网的交流电转换为另一个交流频率以激活线圈。底座由Navitas 的半桥电路组成，用于激发LC 槽，符合Qi 标准。该架构允许直接高输入电压，无需串联 AC/DC 转换器，并且无需使用谐振 LC 谐振回路即可实现零电压开关 (ZVS)，确保在大多数负载条件下都能实现 ZVS。Spinella 说，它还允许从轻负载到满负载的连续控制，而无需使用突发模式。

E2WATT 技术框图

ZVS 还降低了关断和开通时的电容性开关损耗，从而消除了电容性开通损耗。这使其适用于高频操作。

接收器既可用作整流器，也可用作无耗散稳压器。这是通过控制传递到负载的有功功率与反射到初级侧的无功功率之间的比率来实现的。“无线系统 [发射器和接收器] 中的无功功率使用第二控制回路最小化，以确保系统中的无功能量最小，Spinella 补充道。

不可否认，无线充电比有线充电更快、更容易、更方便。它不仅效率更高，而且提供更好的热性能。后者通常被开发人员视为次要设计考虑因素，以便更快地将其产品推向市场。

电动汽车是大型能源储存器，以更少的充电频率提供更多电力的能力是支持电动汽车采用的短期目标。更大的电池尺寸，更高的电流流动率和发热也是考虑因素。因此，将技术集成到电动汽车中并安装市政和私人充电站最终可以减少连接车辆进行充电的需求。