Stromversorgung zum Laden von Akkus Auftrieb für Wireless Charging

Auswahl der richtigen Schaltung und der passenden Bauelemente

Ladegeräte mit kleiner Leistung bis 5 W kamen in der Vergangenheit auf der Basis des induktiven WPT-Standards (Qi) auf den Markt und wurden mit Silizium-Leistungshalbleitern realisiert. Inzwischen haben sich bei den kontaktlosen Energieübertragungssystemen die mit hohen Frequenzen arbeitenden Resonanz-Standards durchgesetzt. Das Leistungsniveau ist auf 20 W gestiegen und es sind Klasse-D-Hochfrequenz-Leistungsstufen mit Halbleitern auf GaN- und Siliziumbasis im Einsatz. Allerdings lassen sich diese Wireless-Power-Systeme nicht sehr gut auf höhere Leistungen skalieren, was meist an thermischen Einschränkungen und/oder der mangelnden Robustheit der verwendeten Bauelemente liegt.

Die Entwickler wünschen sich mehr Leistung, einen höheren Wirkungsgrad und größere Gestaltungsspielräume. Wireless-Power-Sender der Klasse E oder EF stellen geringere Anforderungen an die Treiber, kommen mit weniger Bauelementen aus und lassen höhere Wirkungsgrade zu, indem sie die Ströme und damit auch die Leitungsverluste in den Halbleiterschaltern reduzieren. Wird allerdings das Leistungsniveau angehoben, verlangt diese Technik nach Schalttransistoren mit höherer Spannungsfestigkeit. In Klasse-E-Stufen etwa ist die maximale Spannung (UDS), die sich am Transistor aufbaut, in der Regel 3,5- bis 4-mal höher als die Eingangsspannung (Bild 2). In Schaltungen mit 40–60 V Eingangsspannung kann diese hohe Spannung bereits problematisch sein. Sie erfordert die Verwendung eines für Schaltfrequenzen im MHz-Bereich geeigneten Transistors mit hoher Spannungsfestigkeit.

Bis zum Aufkommen von GaN handelte es sich bei den einzigen hoch­frequenztauglichen Halbleitern für höhere Spannungen um teure HF-Transistoren in Spezialgehäusen, die für Schaltfrequenzen im dreistelligen MHz-Bereich geeignet waren.

Nahezu ideal eignen sich GaN-Leistungstransistoren mit 650-V-Sperrspannung (Tabelle). Sie schalten bei 6,78 MHz und 13,56 MHz mit niedriger Verlustleistung, sind aber vom Preis und den Gehäusen her für die Verwendung in konventionellen SMT-Baugruppen ausgelegt.

 200-V-Silizium- MOSFET100-V-GaN-MOSFETSilizium-HF-MOSFET650-V-GaN-MOSFET
SchaltungKlasse EKlasse DKlasse DKlasse E und EF
Leistung [W]16301503.000
Vor- und Nachteile
  • thermische Restriktionen,
  • nur für geringe Leistung geeignet,
  • kostengünstigere Transistoren,
  • teureres System.
  • begrenzter Strom aufgrund thermischer Restriktionen,
  • Spannung begrenzt: UDS auf UB geklemmt.
  • großes, zwangsbelüftetes Gehäuse,
  • sehr teuer,
  • Treiber-Probleme.
  • keine aktive Kühlung (keine Lüfter),
  • kostengünstigere Bauteile (für niedrigere Ströme),
  • Masse-seitiger Treiber senkt Kosten und Komplexität.

 

Tabelle. Vergleich verschiedener Transistoren für die kontaktlose Energieübertragung mit 6,78MHz.(Quelle: GaN Systems)

Mit der Verfügbarkeit von 650-V-GaN-MOSFETs werden Klasse-E- und Klasse-EF-HF-Leistungsstufen möglich, die zur Realisierung von Wireless-Power-Systemen mit mehr Leistung und höherem Wirkungsgrad (Tabelle) genutzt werden können. Die Sender lassen sich deshalb mit mehr Leistung, höherer Leistungsdichte, kleinen Leiterplatten und ohne Lüfter konstruieren. Controller-ICs für die kontaktlose Energieübertragung unterstützen zunehmend hohe Versorgungsspannungen für die Sender, was die Implementierung von Schaltungen mit höherer Spannung und niedrigeren Stromstärken erleichtert.