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,提高充電器的競爭力。
氮化鎵用于PFC電路的優(yōu)勢
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),無反向恢復(fù)的優(yōu)勢,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,氮化鎵將在更多的功率轉(zhuǎn)換場合中發(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。氮化鎵未來還將應(yīng)用在更多的設(shè)備中,改變我們的生活。
SHENZHEN OFFICE:Rm1403, FL 14th, LianTai Plaza, ZiZhu 6 Rd, FuTian Shenzhen.
HK OFFICE:FLAT/RM A 9/F SILVERCORP INTERNATIONAL TOWER 707-713 NATHAN ROAD MONGKOK KL HK
Contact:Mr. Chen
E-mail:joechen@favorite-tech.com