用于WPT 的高效率氮化镓E 类功率放大器研究

杨 沛 ,唐 君 ,袁 芳 ,郭玉洁 ,张 旭

(1.中国科学院半导体研究所,北京 100083;2.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 100049)

无线供能的概念是19 世纪90 年代美国工程师特斯拉[1]提出的,并进行了实验验证。此后一直到2007年,美国麻省理工大学的研究团队首次实现磁共振[2]的无线能量传输电路,大大促进了无线供能的发展。无线供能目前已广泛应用于消费电子领域如手机无线充电、智能手表、电动牙刷[3-5],以及医疗电子领域如脊髓刺激、脑植入、心脏起搏器[6-8]等。因此,提高无线能量传输系统的效率,促进WPT 在能量传输领域的发展,成为当前无线能量传输领域的热门研究课题。

合理设计发射模块的功率放大电路可以有效提高无线能量传输系统的效率。目前,无线能量传输系统的发射电路广泛采用桥式逆变器拓扑或线性功率放大器,存在输出频率有限、逆变器功耗高等问题。就E类功率放大器而言,其可以通过参数调节实现零电压开关(ZVS),理论效率可达100%,能最大限度地降低功耗[9-10]。如储江龙等[11]选用飞思卡尔公司的MRF6V2300N 型场效应晶体管作为功率管,在8.5 MHz 工作频率下,PAE 最大可达92.2%。崔顺等[12]通过对E 类功率放大器负载进行阻抗匹配设计,传输效率最高达到89.3%。

但是,在上述已有的工作中,都是基于硅基器件进行电路设计,由于功率管导通阻抗和电路参数设计等原因导致的一系列损耗使得E 类功率放大器的传输效率离理论效率尚有一段距离。因此,为提高E 类功率放大器的传输效率,本文设计了一款工作频率为13.56 MHz 的基于GaN 的高频高效E 类功率放大电路。将GaN 晶体管模型导入先进设计系统Advanced Design system(ADS),建立了E 类功率放大器的仿真电路并进行仿真,主要包括电路静态工作点选取、稳定和偏置网络设计、阻抗匹配和整体电路调试等工作,并给出了仿真结果。仿真结果表明,通过引入氮化镓晶体管,凭借其高电子迁移率和低导通阻抗的优良特性以及本文良好的阻抗匹配电路设计成功降低了损耗,使PAE 最大可达97.4%,接近E 类功率放大器理论最大效率。本文所设计的E 类功率放大电路具有高效率、大功率的特点,可作为高效率电源元件用于可穿戴和便携式电子设备的无线能量传输系统,从而有效改善此类应用的能量传输效率和传输距离。

1 理论分析

首先对WPT 系统的传输效率和E 类功率放大器的损耗进行理论分析。双耦合线圈WPT 系统等效电路如图1 所示,其中US为电源,RS为电源内阻,LTX和LRX分别代表发射线圈和接收线圈的电感,R1和R2分别代表LTX和LRX电感的等效阻抗,CTX和CRX分别代表发射端和接收端的谐振电容,RL是等效负载,M 是线圈的互感。

图1 双耦合线圈WPT 系统等效电路Fig.1 Equivalent circuit of dual-coupling coil WPT system

根据等效电路理论模型,发射电路和接收电路的等效阻抗Z1、Z2可以分别表示为:

假设发射回路电流为I1,接收回路电流为I2,对两个回路运用基尔霍夫定律有:

则可以得到WPT 系统的输出功率(Pwpt-out)和传输效率(η)为:

当发射线圈和接收线圈谐振时,输出功率和传输效率达到最大,此时Z1和Z2的虚部为零[2]。则方程(5)和(6)可以表示为:

由公式(8)可知WPT 的传输效率η和谐振频率ω成正比,根据ISM 频段划分规则,本文将谐振频率选择为13.56 MHz,相比于目前更加广泛应用的kHz 级谐振频率,MHz 级谐振频率可以显著提高传输效率和传输距离。

E 类功率放大电路的等效电路如图2 所示,E 类功率放大电路的功率损耗主要包括饱和电压引起的功率损耗和饱和导通电阻导致的损耗。根据文献[13],饱和电压和饱和导通电阻导致的损耗可表示为:

图2 E 类功率放大电路等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of class-E power amplifier

式中:PV为饱和电压导致的损耗;Vsat为饱和电压;VDD为电源电压;Pi为输入功率;PR为饱和导通电阻导致的功率损耗;Ron为饱和导通电阻;RL为负载电阻;g为中间量[14]。

通过方程(9)～(10)可知,E 类功率放大器的开关功率损耗与饱和电压以及饱和导通电阻成正比,而饱和电压又与饱和导通电阻成正比。因此,为了减小功率损耗,提高效率,要求功率开关管的导通阻抗要小。

经过上述分析,本文选择宜普电源转换公司的EPC2016C 型晶体管作为开关管,EPC2016C 是用宽禁带半导体材料制造的GaN 功率晶体管,具有高的电子迁移率和低的导通阻抗[15],适合用于设计高频高效的E 类功率放大器。

2 设计与仿真

2.1 稳定性电路设计和静态工作点仿真

E 类功率放大器的功率管工作在开关状态,栅极所加电压为功率管的控制信号。为了降低功率管的损耗,需要选择合适的静态工作点使功率管处于临界导通状态。故对GaN 功率晶体管EPC2016C 进行了DC扫描仿真,得到图3(a)和图3(b)所示的I-V特性曲线和传输特性曲线。根据仿真结果和晶体管数据表,确定晶体管的栅-源偏置电压为1.3 V,同样,根据晶体管漏极最大工作电压与电源电压之间的关系[16],晶体管漏极电压确定为20 V。同时,为了防止放大电路在工作频率下发生振荡,需要进行稳定性设计和仿真。本文在功率开关管的栅极增加一个电阻以提高稳定性,同时并联一个电容以补偿电阻的损耗。得到的电路稳定性仿真结果如图4 所示。经过稳定性补偿后,电路在工作频率为13.56 MHz 时的稳定性系数达到1.262,可以稳定工作。

图3 EPC2016C 直流扫描仿真结果。(a)I-V 特性曲线;(b)传输特性曲线Fig.3 The simulation results of DC sweep for EPC2016C.(a) I-V characteristic curves;(b) Transmission characteristic curve

图4 稳定性电路仿真结果Fig.4 The simulation results of stability circuit

2.2 阻抗匹配电路设计与仿真

为减少功率反射,提高功率放大电路的传输效率,本文设计并仿真了输入阻抗匹配电路和输出阻抗匹配电路。首先通过迭代使用负载牵引仿真和源牵引仿真,得到最佳负载阻抗ZL为22-j2.4,最佳源阻抗ZS为39.2-j2.6,如图5 所示。然后使用史密斯圆图设计了阻抗匹配电路,所得输入阻抗匹配电路和输出阻抗匹配电路如图6 所示。

图5 (a)负载牵引和(b)源牵引结果Fig.5 The result of (a) load pull and (b) source pull

图6 输入/输出阻抗匹配电路。(a)输入阻抗匹配电路;(b)输出阻抗匹配电路Fig.6 Impedance matching circuit of input/output.(a) Impedance matching circuit of input;(b) Impedance matching circuit of output

2.3 整体电路性能仿真验证

将稳定性电路、偏置电路、阻抗匹配电路进行整合并增加电容滤波电路,其中电容根据公式C=1/f计算得到。最终E 类功率放大电路的整体电路如图7 所示,其中部分元件参数已调整至常见参数,无需特制相应元件,降低了成本。

图7 E 类功率放大器整体电路Fig.7 Circuit of class-E power amplifier

将栅极偏置电压设置为1.3 V,漏极直流电源电压设置为20 V,仿真频率设置为13.56 MHz,扫描变量为输入功率RF power,得到仿真结果如图8 所示,其中PAE 和输出功率Pout随输入功率变化的仿真结果如图8(a)所示,PAE 和Pout随负载变化的仿真结果如图8(b)所示。

图8 E 类功率放大电路仿真结果。(a)功率附加效率PAE 和输出功率Pout随输入功率变化曲线;(b)功率附加效率PAE 和输出功率Pout随负载变化曲线Fig.8 The simulation results of class-E power amplifier.(a) Simulation results of PAE and Pout with RF power;(b) Simulation results of PAE and Pout with load

仿真结果表明:当输入功率为27 dBm 时,PAE最大可以达到97.4%,输出功率为44.4 dBm。当负载从20 Ω 到100 Ω 变化时,PAE 可以保持在90%以上,Pout在42 dBm 到45 dBm 之间。

图9 是功率开关管漏极的电压与电流仿真波形图。可以看出电流和电压的最高点不重合,因此开关管功率损耗较小,从而实现高效率能量传输。

图9 E 类功率放大电路仿真波形Fig.9 Simulation waveform of class-E power amplifier

表1 为本工作和前人工作的对比,可以看到本文设计的E 类功率放大器性能更为突出,功率附加效率更接近理论值。

表1 各种E 类功率放大器性能比较Tab.1 Performance comparison of various type E power amplifiers

3 结论

综上所述,本文通过理论分析并引入氮化镓功率晶体管成功设计了一款工作频率为13.56 MHz 的E 类功率放大电路,同时运用ADS 对电路进行了仿真设计。仿真结果表明,本工作所设计的E 类功率放大电路的功率附加效率(PAE)最大可达97.4%,此时输出功率可达44.4 dBm。负载在20～100 Ω 范围内变化时,功率放大器的PAE 都能保持在90%以上,且输出功率在42～45 dBm 之间,因此可灵活配置不同的发射谐振线圈,实现不同场景的无线能量传输需求,可以广泛应用于如可穿戴和便携式电子设备等无线能量传输系统中,为其提供高效、稳定和灵活的电源,解决相关设备供电难题。