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氮化鎵相比傳統(tǒng)的硅器件，明顯的提升是減小了充電器的體積，使同功率充電器的體積只有原來(lái)的一半大小，同時(shí)效率也得到同步的提升，降低充電器的散熱需求。

圖為小米三款65W充電器體積對(duì)比，可以看到使用了氮化鎵功率芯片的AD65G，體積僅為使用常規(guī)硅功率器件的CDQ07ZM一半大小。氮化鎵的使用大大提高了充電器的功率密度，減小充電器的體積。

 

氮化鎵具有高耐壓、高速開關(guān)、低導(dǎo)通電阻、高效率的特性，可以支持更高的開關(guān)頻率，可以減小充電器的磁性元件，如變壓器，電感等體積，同時(shí)損耗更低。使用氮化鎵能讓充電器在體積做小的同時(shí)，內(nèi)部設(shè)置多口輸出的降壓電路，而不增加整體體積，提高充電器的競(jìng)爭(zhēng)力。

 

氮化鎵用于PFC電路的優(yōu)勢(shì)

 

本次選取了兩款同為120W的充電器，其中均采用了PFC電路，分別選用常規(guī)硅器件和氮化鎵器件，[敏感詞]將從硅器件和氮化鎵器件的參數(shù)上進(jìn)行對(duì)比。

小米120W充電器是搭配小米10至尊紀(jì)念版手機(jī)推出的一款充電器，采用小米魔改USB-A接口，支持20V6A輸出，可在5分鐘內(nèi)為4500mAh電池充入41%電量，處于行業(yè)中的佼佼者。同時(shí)這款充電器還支持65W PD快充，可為筆記本充電，一頭多用。

小米120W充電器的PFC升壓級(jí)使用了意法半導(dǎo)體的STL24N60M6，是一顆耐壓600V的NMOS，導(dǎo)阻為209mΩ。STL24N60M6采用PowerFLAT 8x8 HV封裝，適用于開關(guān)應(yīng)用，LLC轉(zhuǎn)換器和升壓PFC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。[敏感詞]是這款管子的詳細(xì)參數(shù)部分，其中Ciss即柵極的輸入電容，為960pF。

 

體二極管參數(shù)，STL24N60M6的體二極管反向恢復(fù)電荷在60V，常溫下反向電荷為2.3μC，反向恢復(fù)時(shí)間為225ns。

尚巡120W氮化鎵適配器為折疊插腳，自帶圓口輸出線纜，固定19V輸出，可用于顯示器，筆記本電腦及NUC電腦應(yīng)用，體積和重量相比傳統(tǒng)120W電源顯著縮小。尚巡120V氮化鎵適配器的升壓級(jí)采用英諾賽科INN650D02，是一顆耐壓650V的增強(qiáng)型氮化鎵開關(guān)管，導(dǎo)阻為200mΩ。

英諾賽科INN650D02采用DFN8X8封裝，支持超高的開關(guān)頻率，并且無(wú)反向恢復(fù)電荷，可應(yīng)用于圖騰柱PFC等高頻高密度快充應(yīng)用。

 

英諾賽科INN650D02的Ciss輸入電容僅為70pF。

 

同時(shí)由于氮化鎵無(wú)反向恢復(fù)電荷，INN650D02反向恢復(fù)電荷、恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)峰值電流均為0。這里意法半導(dǎo)體STL24N60M6參數(shù)與英諾賽科INN650D02參數(shù)相近，封裝也類似，所以采用這兩顆管子進(jìn)行常規(guī)硅器件與氮化鎵器件的性能對(duì)比。

 

柵極電荷的對(duì)比

 

首先是柵極電荷，STL24N60M6的柵極電荷為960pF，INN650D02的柵極電荷為70pF。之前的All GaN快充解決方案中介紹過，Ciss等效為一個(gè)電容，可以理解成，為電容充電，柵極達(dá)到開啟電壓，器件導(dǎo)通，為電容放電，電壓為零，器件截止。

 

Ciss的減小，可以顯著減小初級(jí)控制器或外掛驅(qū)動(dòng)器的功耗，可以降低驅(qū)動(dòng)器的溫升，提高穩(wěn)定性并提高效率，另外氮化鎵器件6V的驅(qū)動(dòng)電壓，相比硅MOS10V的驅(qū)動(dòng)電壓降低，也降低了驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)難度。為電源運(yùn)行在更高的頻率下夯實(shí)了基礎(chǔ)。

 

另外柵極電荷充電，在傳統(tǒng)的MOS管上帶來(lái)了開通損耗和關(guān)斷損耗，也就是上升時(shí)間和下降時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，MOS管處于線性區(qū)，從而產(chǎn)生開關(guān)損耗。氮化鎵的柵極電荷非常小，上升和下降時(shí)間都非常短，這個(gè)開關(guān)損耗是非常小的。

 

反向恢復(fù)

這里引用恩智浦 TEA19162T的應(yīng)用電路圖舉例。

 

這是充電器中應(yīng)用非常廣泛的升壓PFC電路圖，M1就是PFC升壓開關(guān)管。常規(guī)硅MOS由于結(jié)構(gòu)和工藝原因，都會(huì)有一個(gè)體二極管。而二極管必然存在結(jié)電容。也就是說，整流后的電壓，會(huì)通過電感先給MOS管的體二極管充電，體二極管儲(chǔ)存的電荷，在MOS管導(dǎo)通時(shí)，通過MOS管的DS釋放，在MOS管關(guān)閉時(shí)，也是同步為體二極管充電。

 

MOS管的體二極管充放電及恢復(fù)電荷制約了PFC的開關(guān)頻率，電容充放電的功率損耗拉低了電源的轉(zhuǎn)換效率，還拉高了系統(tǒng)中的峰值電流，造成EMI干擾。而氮化鎵器件因?yàn)闆]有體二極管，沒有反向恢復(fù)電荷，所以沒有充放電損失，沒有峰值電流，能夠有效提高開關(guān)頻率并提高效率。

總結(jié)

氮化鎵以易驅(qū)動(dòng)，無(wú)反向恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)，非常適合于硬開關(guān)應(yīng)用。通過應(yīng)用氮化鎵器件到充電器中，消除了體二極管的電容充放電損耗，提高了電源轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)得益于損耗降低，還可以提高充電器的開關(guān)頻率，縮小充電器體積。

 

目前氮化鎵器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用在快充上，未來(lái)，氮化鎵將在更多的功率轉(zhuǎn)換場(chǎng)合中發(fā)揮更重要的作用，應(yīng)用在服務(wù)器電源中，可降低大功率電源損耗數(shù)十瓦，為降低數(shù)據(jù)中心，5G基站能耗做出貢獻(xiàn)。應(yīng)用在新能源汽車中，可生產(chǎn)效率更高，體積更小的車載充電器。氮化鎵未來(lái)還將應(yīng)用在更多的設(shè)備中，改變我們的生活。