高效率電壓模式d類拓樸結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上系關(guān)于電壓模式D類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且更特定而言系關(guān)于高效率電壓模 式D類放大器及無線能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近來，使用高度諧振電磁感應(yīng)的無線電力傳輸系統(tǒng)(亦稱作"能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)"）中已 存在許多發(fā)展。一般而言，此等系統(tǒng)包括電源及傳輸線圈W及連接至待供電之器件（亦即， 負(fù)載)的接收線圈。用于無線電力傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)集中于使用線圈W產(chǎn)生用W將能量自電 源轉(zhuǎn)移至器件的高頻交變磁場。電源將能量W電壓及電流之形式遞送至傳輸線圈，傳輸線 圈將在線圈周圍產(chǎn)生隨著施加電壓及電流改變而改變的磁場。電磁波將自線圈起穿過自由 空間行進至禪接至負(fù)載的接收線圈。隨著電磁波繞過且掃掠接收線圈，在接收線圈中感應(yīng) 與天線捕獲之能量成比例的電流。
[0003] 當(dāng)電源及負(fù)載在無線電力傳輸期間禪合時，所得配置有效地形成具有低禪合系數(shù) 的變壓器。此所得變壓器具有可顯著大于勵磁電感的漏電感。在此等條件下的變壓器模型 之分析顯露，初級側(cè)漏電感幾乎僅判定能量轉(zhuǎn)移的效率。為了克服漏電感，一些系統(tǒng)使用諧 振來增加漏電感上的電壓，且因此勵磁電感在電力遞送中具有所導(dǎo)致的增加。
[0004] 一種常規(guī)無線能量轉(zhuǎn)移拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無線能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)電壓模式D類 ("VM如'）放大器。圖1說明VMCD放大器的電路圖。如所展示，VMCD放大器100包括功率放大器 110及負(fù)載120。功率放大器110包括串聯(lián)禪接于電壓源Vdd與接地之間的兩個晶體管111及 112。兩個晶體管111及112相位相差180°地驅(qū)動W形成半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。習(xí)知地，晶體管111及 112可為(例如)增強模式n通道MOSFET。此外，功率放大器110包括與負(fù)載120串聯(lián)禪接之第 一電容器113及電感器114W形成諧振調(diào)諧電路。在此習(xí)知設(shè)計中，功率放大器110調(diào)諧負(fù)載 W在與放大器110之操作相同的頻率下具有諧振。不管零電流切換（"ZCS")，每當(dāng)電壓轉(zhuǎn)變 發(fā)生時，功率放大器110由于晶體管111及112的輸出電容Coss而仍體驗到高損耗。隨著頻率 增加，損耗亦按比例地增加。
[0005] 為了克服此等問題，現(xiàn)有電路已將匹配網(wǎng)絡(luò)添加至負(fù)載120W使負(fù)載120對于功率 放大器110顯現(xiàn)為電感性的。舉例而言，圖2說明圖1中所說明之VMCD放大器100之經(jīng)修改電 路，但包括匹配網(wǎng)絡(luò)。如所展示，VMCD系統(tǒng)200包括晶體管211及212,且進一步包括與晶體管 212并聯(lián)禪接的電感器213及第一電容器214。此外，第二電容器215與負(fù)載220串聯(lián)連接W形 成負(fù)載諧振電路210。歸因于高切換頻率及器件輸出電容Coss,負(fù)載諧振電路配置(亦即，負(fù) 載220及第二電容器215)必須經(jīng)調(diào)諧W在操作頻率下系電感性的，且因此允許零電壓切換 (ZVS)及輸出電容Coss損耗的對應(yīng)減少。在設(shè)計中，此調(diào)諧可導(dǎo)致伴隨線圈傳輸效率減低的 超出諧振的功率放大器110之操作。盡管放大器W減少之損耗操作（亦即，要求較少冷卻）， 但改良之放大器效率并不抵消減少之線圈傳輸效率。
[0006] 假定放大器之輸出端（切換節(jié)點）處的平均電壓為電源電壓Vdd的一半，匹配電路 (電感器213及電容器214)起作用W使至負(fù)載諧振電路（電容器215及負(fù)載220)的電壓增加， 此情形在對輸入電壓量值提出限制之情況下可系有利的。然而，匹配電感器將攜載負(fù)載之 全電流，且因此將具有顯著損耗。此外，電路對于負(fù)載電阻變化敏感，此系由于匹配網(wǎng)絡(luò)變 為經(jīng)調(diào)諧諧振電路的整體部分，其可使理想操作電感點移位W維持適當(dāng)ZVS。
[0007] 因此，需要高效率VMCD放大器及能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其對于電源及器件單元兩者而言 較佳為低階配置文件，易于使用，對于操作條件之改變高度強健，且不要求強制空氣冷卻或 散熱片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供一種高效率VMCD功率放大器，其包括串聯(lián)連接于一電壓源與一接地連 接之間的一對晶體管。另外，一斜坡電流儲能電路為與該對晶體管中之一者并聯(lián)地設(shè)置。該 儲能電路可包括串聯(lián)連接之一電感器及一電容器，且經(jīng)提供W共同吸收該對晶體管中之每 一者的輸出電容Coss。較佳地，該儲能電路之心(：網(wǎng)絡(luò)經(jīng)設(shè)計具有極低諧振頻率，使得該轉(zhuǎn)換 器作為一無負(fù)載降壓轉(zhuǎn)換器操作。該kC網(wǎng)絡(luò)僅遭遇鏈波電流，但并不招致有關(guān)于負(fù)載的損 耗。結(jié)果，電感器大小可保持為小的，且損耗經(jīng)最小化。在本發(fā)明之一個改進中，該高效率 VMCD功率放大器包括實現(xiàn)ZVS電流之離散可規(guī)劃性的并聯(lián)禪接之多個斜坡電流儲能電路 (亦即/'ZVS VMCD功率放大器"）。該VMCD功率放大器可實施于一無線能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0009] 本發(fā)明之特征、目標(biāo)及優(yōu)點在結(jié)合圖式進行時自下文闡述之詳細描述將變得更顯 而易見，在圖式中類似字符相應(yīng)地識別組件，且其中：
[0010] 圖1說明常規(guī)電壓模式D類放大器的電路圖。
[0011] 圖2說明W匹配網(wǎng)絡(luò)實施的常規(guī)VMCD放大器。
[0012]圖3說明根據(jù)本發(fā)明之實施例的高效率VMCD放大器。
[0013 ]圖4說明根據(jù)本發(fā)明之實施例的高效率無線電力VMCD系統(tǒng)。
[0014] 圖5A說明圖4中所說明之能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)之切換器件的理論波形。
[0015] 圖5B說明圖4中所說明之能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)之儲能電路組件的理論波形。
[0016] 圖6說明圖4中所說明的具有eGaN FET之能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)之量測系統(tǒng)效率。
[0017] 圖7說明圖4中所說明之能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)之例示性實施例之間的優(yōu)值比較的模擬。 [001引圖8說明GaN晶體管與MOSFET之間的VMCD比較之總FET功率之間的模擬比較。
[0019]圖9A至圖9C說明根據(jù)本發(fā)明之例示性實施例的高效率VMCD放大器的替代性實施 例。
[0020] 圖10說明根據(jù)本發(fā)明之另一實施例的VMCD放大器。
[0021] 圖11說明根據(jù)本發(fā)明之VMCD放大器的另一例示性實施例。
【具體實施方式】
[0022] 在W下詳細描述中，參考某些實施例。此等實施例足夠詳細地描述W使得熟習(xí)此 項技術(shù)者能夠?qū)嵺`該等實施例。應(yīng)理解，可使用其他實施例，且可進行各種結(jié)構(gòu)、邏輯及電 氣改變。此外，雖然結(jié)合能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)來描述特定實施例，但應(yīng)理解，本文中所描述之特征 通常適用于其他類型之電路，諸如RF放大器及其類似者。
[0023] 圖3說明根據(jù)本發(fā)明之第一實施例的高效率VMCD放大器。如所展示，VMCD放大器 300包括串聯(lián)禪接于電壓源Vdd與接地之間的兩個晶體管311及312,從而形成半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 在例示性實施例中，晶體管31巧312為增強模式n通道M0SFET。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于 此。如下文將更詳細地描述，在替代性實施例中，VMCD放大器300較佳使用GaN FET。盡管圖 中未示，但應(yīng)了解，諸如振蕩器之控制電路禪接至晶體管311及312的柵極W交替地接通第 一晶體管311及第二晶體管312。
[0024] 如進一步所展示，VMCD放大器300包括由電容器321及電感器322形成的諧振調(diào)諧 電路320,電容器321及電感器322串聯(lián)禪接于切換節(jié)點（亦即，晶體管311之源極與晶體管 312之漏極之間的節(jié)點）與負(fù)載340之間。VMCD放大器300亦包括禪接于切換節(jié)點與接地之間 (亦即，并聯(lián)禪接至晶體管312)的斜坡電流儲能電路330。斜坡電流儲能電路包括電感器331 及電容器332,該兩者被提供W藉由提供電流而共同吸收晶體管311及312的輸出電容Coss, 該電流將允許電路W施加至晶體管311及312之柵極信號之間的必要空檔時間使切換節(jié)點 自換向（SeIf-commutate)。較佳地，儲能電路之心(：網(wǎng)絡(luò)經(jīng)設(shè)計具有極低諧振頻率，從而使 得轉(zhuǎn)換器能夠作為無負(fù)載降