氮化镓推动无线充电应用

像GaN这样的化合物半导体有望为无线充电带来更美好的未来。

无线充电在技术行业中变得越来越普遍，提供了一种更方便的设备充电方式，而无需使用电缆或插头。随着技术的进步，由于氮化镓（GaN）功率器件的使用，无线充电变得越来越高效和快速。

无线充电技术

无线充电主要有两种类型：磁感应和磁共振。磁感应涉及使用线圈，该线圈产生电磁场，在位于设备内的另一个线圈中感应电流，从而提供电力。另一方面，磁共振使用多个线圈来产生共振电磁场，允许在更远的距离上通过某些表面（例如桌子或背包）充电。

无线充电使用电磁场在两个物体之间传输能量：充电板或充电站以及无线充电的设备。无线充电背后的技术被称为电磁感应。充电板或充电站包含一个线圈，当电流流过它时会产生磁场。当配备无线充电接收器的设备进入磁场范围时，它会在设备内部的线圈中感应电流。然后可以使用该电流为设备的电池充电。

当设备放置在充电板或充电站上时，充电垫和设备之间的磁场会产生从充电板传输到设备的电磁场。然后将该电磁能转换为电能，为设备中的电池充电。

无线充电使用一种称为Qi的标准，该标准由无线充电联盟开发。该标准被许多制造商使用，并且在智能手机和其它设备中越来越受欢迎。

基于氮化镓的无线充电解决方案

GaN是一种宽带隙（WBG）半导体，由于其独特的电气特性，在电力电子行业中越来越受欢迎。GaN功率器件在更高的电压、更高的开关频率和更高的温度下工作，与传统的硅基器件相比，它们成为更高效的解决方案。

在无线充电中使用GaN功率器件有很多好处。首先，GaN功率器件可以处理更高的功率密度，从而实现更快的充电时间。其次，GaN功率器件在更高的频率下工作，减少了对更大电容器和电感器的需求，这可以使无线充电板更小，更便携。

此外，GaN功率器件将更少的能量转化为热量，从而降低了功耗和充电过程中的散热量。散热是无线充电的主要问题，因为它会损坏正在充电的设备和充电板本身。与传统的硅基器件相比，GaN功率器件的制造成本也更具成本效益，使其成为无线充电制造商的有吸引力的选择。GaN也比硅基器件更可靠，降低了维修和更换的频率。

如今，GaN功率器件被用于各种无线充电技术，包括Qi无线充电，这是最广泛的无线充电标准。支持Qi的无线充电中的GaN功率器件提供更快的充电时间和更高效的功率传输，使其成为想要快速为设备充电的用户的理想选择。

虽然这些无线充电技术主要用于智能手机、智能手表和笔记本电脑等消费电子产品，但它们也以无线充电板的形式用于汽车行业的电动汽车（EV）。这提供了一种更有效、更方便的车辆充电方式，因为无需将车辆物理插入充电站。

无线充电也正在医疗保健行业实施，特别是对于植入式起搏器和胰岛素泵等医疗设备，这些设备可以更容易、更频繁地充电。

氮化镓HEMT提高效率

传统的Qi无线充电在中等功率应用中使用80kHz和300kHz之间的频率，对于低功率水平（高达110W），使用205kHz和5kHz之间的频率。在一定间隔距离下，无线电力传输（WPT）的有效性与发射和接收线圈的质量因数（Q1，Q2）呈负相关。

这些因素取决于频率，最大Q因数在5-15MHz范围内达到。GaN HEMT的高频开关功能使这种高效的高频WPT成为可能，它具有许多优点，包括：

l与传统kHz频率下的15W相比，可以传输更高的功率（> 1000W），

l所有三个轴的空间自由度更高，

l更薄的PCB天线和发射/接收组件（重量越轻，有利于电动汽车应用，如照明、电动座椅等车内充电），

l较大的z轴分离可以将发射器放置在表面和墙壁后面，使外部安全摄像头的安装更加简单，或者可以在放置在汽车内的充电盒内为电动工具充电，以及

l它不加热金属物体。

更高效的氮化镓WPT（图1）可以简化现有应用，并启用新应用。一些例子包括电动滑板车的200W充电，其中滑板车在垫上的方向灵活性简化了实施。

7kW EV WPT充电器展示了大功率端，充电板和车辆上的接收天线之间可以使用11厘米的间隙。与85kHz的传统WPT充电器相比，这些更高的功率可以大大减少充电时间。预计到2030年，无人机电子交付市场以及专业或个人使用的机器人市场将超过1000亿美元。基于GaN的WPT有望在该应用中发挥重要作用。

图1：无线电力传输链路的效率与线圈品质因数 Q1、Q2 及其对频率的响应的函数关系。（资料来源：Paul Wiener/APEC 2023）

扩展功率范围

由于在较低功率水平下运行时效率低下且存在局限性，传统的无线充电技术（尤其是基于 Qi 标准的技术）实际上仅适用于智能手机、可穿戴设备、医疗植入物和物联网 （IoT） 设备等小型设备。此外，这些技术不仅会产生减慢充电速度的热量，而且还需要耗散，使它们在碳排放方面不太环保。目前可用的大多数无线充电笨重、昂贵且不是特别方便，这通常需要对被充电的设备进行极其精确的定位以确保有效耦合。

降低效率的一个重要问题是Qi设计的复杂性，整个转换过程需要五个阶段。应该指出的是，效率在不能满负荷运转的情况下迅速下降。

Eggtronic创建了E2WATT无线电力传输架构，以解决传统方法的缺点。E2WATT结合了电源和无线充电器，基于专利感应技术，是一种基于GaN的解决方案。该技术依靠获得专利的拓扑结构来实现零电压开关和零电流开关无线电力传输，从而将转换级的数量减少到两个（图 2）。

图2：E2WATT 提供简化的端到端转换。（图片来源：Eggtronic）

参考文献：

1.P. Wiener, “How GaN is Advancing Wireless Power Technology,” APEC 2023 Conference, March 2023.