不斷提高設(shè)備的能效是一個(gè)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(chǎng)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(duì)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(jì)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(chǎng)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(chǎng)

　　從理論上講，GaN比傳統(tǒng)的硅MOSFET具有更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)有越來越多的“玩家”加入。隨著價(jià)格的不斷降低，GaN器件正在成為功率市場(chǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Developpment的預(yù)測(cè)，盡管與328億美元的硅功率器件市場(chǎng)相比，現(xiàn)有的GaN市場(chǎng)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(chǎng)最火爆的應(yīng)用，非GaN充電器莫屬。

　　圖2：市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)YoleDeveloppment預(yù)計(jì)，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(chǎng)

　　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(duì)一塊4500mAh的超大電池從0充電至滿格僅需45分鐘。

　　其實(shí)，GaN充電器市場(chǎng)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(gè)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(gè)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(shí)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(shì)，一經(jīng)面世，市場(chǎng)很快就接受了這個(gè)產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在今年初的CES2020上，GaN充電器就隨處可見，大有星火燎原之勢(shì)。

　　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(jì)實(shí)例

　　每個(gè)新技術(shù)快速商用的背后，總會(huì)有不少技術(shù)“推手”，GaN充電器也不例外。隨著這一市場(chǎng)熱度的持續(xù)升溫，各個(gè)GaN廠商也在加緊推出新的方案以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)所需。下面我們就介紹幾個(gè)典型設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)快速開通和關(guān)斷，在開關(guān)模式電源（SMPS）中能實(shí)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(chǎng)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(dòng)態(tài)性能，大幅提高工作頻率，從而通過縮小被動(dòng)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(shí)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)洹Ｓw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(duì)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(jí)側(cè)半橋的ZVS（零電壓開關(guān)），為實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)。

　　圖4 ：同步整流不對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了突破。與安森美半導(dǎo)體的NCP51530（700 V高低邊驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jiǎn)化高頻率、高能量密度開關(guān)模式電源的設(shè)計(jì)。

　　圖5：NV6115典型應(yīng)用原理圖

　　圖片來源：Navitas

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在市場(chǎng)上約有50余種使用了GaNFast的移動(dòng)快充產(chǎn)品和平臺(tái)，其中包括頂級(jí)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(dòng)設(shè)備快速并安全地充電。

　　不可或缺的支持元件

　　設(shè)計(jì)一個(gè)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(duì)稱反激變換器中，諧振電容和變壓器之間共享能量存儲(chǔ)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(jì)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(chǎng)趨勢(shì)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(shì)就是體積更小——據(jù)測(cè)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(huì)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(huì)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(huì)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(shì)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(jì)中一個(gè)重要技術(shù)選項(xiàng)。

　　當(dāng)然，除了在GaN充電器的輸出電容，在輸入端也會(huì)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(gòu)買。

　　結(jié)語

　　目前，對(duì)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(chǎng)。之前進(jìn)入這一領(lǐng)域的，很多是中小企業(yè)，市場(chǎng)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(chǎng)上推出他們基于GaN技術(shù)的充電產(chǎn)品時(shí)，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(gè)火爆的市場(chǎng)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。