不斷提高設(shè)備的能效是一個永無止境的目標(biāo)。第三代寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料獨(dú)有的高熱導(dǎo)率,、高擊穿場強(qiáng),、高飽和電子漂移速率等特性，不僅能夠滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫,、高功率,、高壓、高頻以及抗輻射等最新需求,，還可以降低50%以上的能量損失,，最高可使設(shè)備的體積減小近75%。以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)開始在射頻和功率領(lǐng)域挑戰(zhàn)硅（Si）材料的統(tǒng)治地位,。

　　SiC的禁帶寬度為3eV,，SiC基MOSFET非常適用于高頻工作的高擊穿、高功率等應(yīng)用,。與Si相比,，因RDS（on）等參數(shù)隨溫度的變化較小，在設(shè)計中可以有更寬的工作邊界,，從而提供額外的性能,。

　　GaN具有比SiC更高的禁帶寬度（約為3.4eV）和更高的電子遷移率。它的擊穿場強(qiáng)是Si的10倍,，電子遷移率是Si的2倍,，輸出電荷和柵極電荷都比硅低10倍，反向恢復(fù)電荷幾乎為零,，這是高頻工作的關(guān)鍵,。可以說,，GaN是現(xiàn)代諧振拓?fù)渲凶钸m合的技術(shù),。

　　圖1：GaN尤其適用于高頻開關(guān)應(yīng)用，而SiC更適用于高溫應(yīng)用

　　圖片來源：Infineon

　　快速“火”起來的GaN充電器市場

　　從理論上講,，GaN比傳統(tǒng)的硅MOSFET具有更大的技術(shù)優(yōu)勢,，已經(jīng)有越來越多的“玩家”加入。隨著價格的不斷降低,，GaN器件正在成為功率市場的有力競爭者,。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Developpment的預(yù)測,，盡管與328億美元的硅功率器件市場相比，現(xiàn)有的GaN市場還很小,，但GaN器件已經(jīng)開始滲透到很多應(yīng)用領(lǐng)域,。若論最吸引眾人眼球或者市場最火爆的應(yīng)用，非GaN充電器莫屬,。

　　圖2：市場調(diào)研機(jī)構(gòu)YoleDeveloppment預(yù)計,，將GaN技術(shù)在快充和無線充電領(lǐng)域的應(yīng)用很可能快速引爆GaN功率器件市場

　　圖片來源：Yole Developpment

　　今年2月份，小米公司推出了65W GaN充電器,，其橫截面積僅比一元硬幣稍大,，重量約為82克，其物理尺寸比現(xiàn)有充電器小很多,，非常便于攜帶,。但其充電速度超快，對一塊4500mAh的超大電池從0充電至滿格僅需45分鐘,。

　　其實,，GaN充電器市場的火爆是有原因的。想必很多消費(fèi)者都有這樣痛苦的經(jīng)歷,，每逢出差,，必須攜帶手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦使用的多個充電器和適配器,，有限的行李空間被這些“必備的物品”占去大半,。怎么解決這個難題呢？統(tǒng)一充電器和適配器的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是最徹底的解決方案,，目前看來可操作性不高?，F(xiàn)實唯一可行的辦法就是提高功率密度，盡量縮小這些充電器和適配器的體積,。

　　尺寸小,、充電快是GaN充電器的最大優(yōu)勢，一經(jīng)面世,，市場很快就接受了這個產(chǎn)品,。據(jù)統(tǒng)計，在今年初的CES2020上,，GaN充電器就隨處可見,，大有星火燎原之勢。

　　圖3：GaN器件的商業(yè)化應(yīng)用

　　圖片來源：小米

　　GaN充電器的設(shè)計實例

　　每個新技術(shù)快速商用的背后,，總會有不少技術(shù)“推手”,，GaN充電器也不例外。隨著這一市場熱度的持續(xù)升溫,，各個GaN廠商也在加緊推出新的方案以應(yīng)對市場所需,。下面我們就介紹幾個典型設(shè)計實例,，供大家參考。

　　基于英飛凌 CoolGaN? 的GaN充電器方案

　　英飛凌是業(yè)界唯一一家掌握Si,、SiC和GaN等所有功率半導(dǎo)體技術(shù)的公司,，其CoolGaN?600 V增強(qiáng)型HEMT（高電子遷移率晶體管）經(jīng)過專門優(yōu)化,，可實現(xiàn)快速開通和關(guān)斷,，在開關(guān)模式電源（SMPS）中能實現(xiàn)高能效和高功率密度，其優(yōu)值系數(shù)（FOM）在當(dāng)前市場上的所有600V器件中首屈一指,。CoolGaN?的輸出電荷和柵極電荷均比硅低10倍,，反向恢復(fù)電荷幾乎為零，這是高頻工作的關(guān)鍵,。該器件具有極少輸出電容,，可在反向?qū)顟B(tài)下提供優(yōu)異的動態(tài)性能，大幅提高工作頻率,，從而通過縮小被動元器件的總體尺寸,，提高功率密度。

　　在GaN充電器中,，為了在功率密度上實現(xiàn)突破,，目前，此類系統(tǒng)中使用的典型功率拓?fù)錇榉醇な焦β首儞Q拓?fù)?。英飛凌CoolGaN?產(chǎn)品采用的就是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，在功率密度方面有著很大突破，最高可達(dá)20W/in3（最大輸出功率為65W）,。

　　英飛凌在其GaN充電器白皮書中推薦的非對稱反激式功率變換拓?fù)湟妶D4,，該拓?fù)淅么呕娏骱屯秸鏖_關(guān)的ZCS（零電流開關(guān)）構(gòu)成初級側(cè)半橋的ZVS（零電壓開關(guān)），為實現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ),。

　　圖4 ：同步整流不對稱PWM反激原理圖

　　圖片來源：Infineon

　　基于上述拓?fù)?，英飛凌開發(fā)了采用500v/140mΩMOSFET的65W樣機(jī)，支持USB-PD,，輸出電壓從5V/3A到20V/3.25A不等,，工作頻率從100kHz到220kHz。原型機(jī)的最大效率為94.8%,，而在V in=90V時的最低滿載效率為93%,。

　　Navitas GaNFast?功率芯片

　　通過一些極客的拆解我們知道，納微半導(dǎo)體（Navitas）推出的GaNFast氮化鎵功率芯片NV6115和NV6117,，也是上文中提到的小米65W GaN充電器中的關(guān)鍵器件,，它們使得該充電器在功率密度上實現(xiàn)了突破。與安森美半導(dǎo)體的NCP51530（700 V高低邊驅(qū)動器）和德州儀器的 UCC28780（反激式控制器）相互搭配構(gòu)成的高頻開關(guān),，大幅縮減了充電器中的變壓器體積,。

　　Navitas的NV6115和NV6117為650 V GaNFast電源IC,，針對高頻軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化。擴(kuò)展了傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如反激式,、半橋式,、諧振式等功能，可簡化高頻率,、高能量密度開關(guān)模式電源的設(shè)計,。

　　圖5：NV6115典型應(yīng)用原理圖

　　圖片來源：Navitas

　　據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在市場上約有50余種使用了GaNFast的移動快充產(chǎn)品和平臺,，其中包括頂級OEM正在批量生產(chǎn)的壁式充電器,，其功率范圍從24W至300W。三星,、Oppo,、小米和Verizon等都是Navitas的客戶。采用GaNFast的充電器具有USB-C功能,，不僅可以提供足夠的電量為筆記本電腦快速充電,，并能為智能手機(jī)、平板電腦,、耳機(jī)和VR耳機(jī)等所有其他移動設(shè)備快速并安全地充電,。

　　不可或缺的支持元件

　　設(shè)計一個完整高效的GaN充電器，除了上述的GaN器件,，一些起關(guān)鍵支持作用的外圍元器件也同樣不可或缺,。

　　從圖4中可以看到，位于原理圖中心位置有一顆電解電容,，在這里它是諧振電容,。在非對稱反激變換器中，諧振電容和變壓器之間共享能量存儲以及從一次側(cè)到二次側(cè)的能量傳遞,。因此,，變壓器的尺寸可以大大縮小。正如在英飛凌 CoolGaN?GaN充電器方案中提到的,，高質(zhì)量的電容器同樣是GaN充電器設(shè)計中的關(guān)鍵元件,，比如充電器輸出濾波采用的貼片電容，小尺寸的電容非常有助于充電器體積的縮減,。

　　英飛凌的這一觀點(diǎn)與KEMET公司技術(shù)專家看到的市場趨勢相一致,。在前不久參與《大咖在DK》專題視頻訪談中，KEMET的技術(shù)專家透露,，在小米推出的65W GaN充電器中就采用了兩顆KEMET的聚合物鉭電容,，并聯(lián)使用做輸出濾波。

　　?點(diǎn)擊這里，查看視頻訪談

　　與傳統(tǒng)充電器中用聚合物鋁電解電容做輸出濾波的方案相比,，使用聚合物鉭電容最突出的優(yōu)勢就是體積更小——據(jù)測算可減小75%,，這也是與GaN充電器要求的產(chǎn)品特性相吻合的。還有一些充電器方案會采用高容值的貼片陶瓷電容并聯(lián)的方式來做輸出濾波,，但是由于隨著電壓的增加,，陶瓷電容會呈現(xiàn)出一定的直流偏壓特性，影響最終的效果,，此外由于要使用多顆電容并聯(lián),，也會增加PCB的占板面積和系統(tǒng)整體成本。

　　與傳統(tǒng)的二氧化錳鉭電容及其他類型的電容相比,，聚合物鉭電容的其他優(yōu)勢還包括：更高的耐壓,、改善了降額特性、更加安全,、容值穩(wěn)定等，這也令其成為GaN充電器設(shè)計中一個重要技術(shù)選項,。

　　當(dāng)然,，除了在GaN充電器的輸出電容，在輸入端也會用到一些安規(guī)電容,，KEMENT也有相應(yīng)的產(chǎn)品提供,。KEMET總結(jié)了一些可以在GaN充電器中一顯身手的電容產(chǎn)品，包括：

　　T521系列高電壓聚合物電容器

　　A750聚合物鋁電解電容器

　　CAS安規(guī)貼片陶瓷電容器及R46系列X類安規(guī)電容器

　　X7R貼片陶瓷電容器

　　上述這些GaN充電器相關(guān)的產(chǎn)品詳細(xì)信息,，可通過Digikey網(wǎng)站上獲得,，也可在網(wǎng)站上直接下單購買。

　　結(jié)語

　　目前,，對手機(jī)進(jìn)行快速充電等電源應(yīng)用是GaN功率器件的主要應(yīng)用市場,。之前進(jìn)入這一領(lǐng)域的，很多是中小企業(yè),，市場影響力和關(guān)注度稍顯不足,。但當(dāng)小米等智能手機(jī)制造商開始向市場上推出他們基于GaN技術(shù)的充電產(chǎn)品時，GaN充電產(chǎn)品的春天也就到了,。你是否也準(zhǔn)備參與到這個火爆的市場中來,？希望本文介紹的這些新技術(shù)和方案，能夠?qū)δ阆乱徊降募夹g(shù)決策有所幫助,。