在PC电源和充电器市场,从去年开始便流行起一个名为“GaN”(氮化镓)的概念,并因这项技术的加盟获得了更为出色的电气性能。那么,GaN到底是一种怎样的技术,它能对我们未来的生活产生哪些影响呢?
功率体积闹矛盾
无论是笔记本还是智能手机,专门给适配器/充电器“减肥”是一件非常费力不讨好的事情,毕竟对绝大多数普通消费者而言,有着免费(随机附赠)的不用,为了小一圈的充电器花钱很不经济。
然而,随着USB Type-C接口和USB PD快充成为行业标准之后,新款手机、笔记本(主要是中高端轻薄本)和Switch游戏掌机等数码设备居然用上了同一套充电协议,这意味着研发一款USB PD充电器将拥有无数的“潜在客户”,只要产品够好绝对不愁卖!
于是,小小的充电器也开始了跨界之旅——笔记本适配器号称兼容手机,而手机的充电器则主打能为笔记本供电,出差时一个(PD充电器)在手,全家(随身携带的所有数码设备)不愁。
问题来了,什么样的充电器才够好呢?没错,就是大功率+小身材,也就是当充电器解决矛盾之后的样子。
瘦身的“拖油瓶”
充电器虽然不大,但它内部却集成了包括初级开关管、次级同步整流管、PWM控制器、同步整流控制器、变压器、电解电容、整流桥、共模电感、慢熔保险丝、快充协议控制芯片和各种MOSFET在内的数十种零部件。
学过初中物理的同学应该都知道,在充电功率相同时,充电器的体积越大散热效果必然越好。如果盲目地在缩小充电器体积的同时提高功率,发热量将难以控制,极端情况下甚至会引起火灾等隐患。
在充电器的内部构成中,MOSFET(金氧半场效晶体管,简称MOS或功率器件)至关重要,它影响着该产品所支持的最大输入/输出功率和功率转换耗损率,也是高负载运行时发热量最大的零部件之一。
一款充电器能否在支持更高功率的同时加以瘦身,最有效的解决方案就是提升MOSFET的性能并降低它的发热量。
可惜,当前用于生产MOSFET的第一代(Ge、Si)和第二代半导体材料(GaAs、InP)在单位体积的功率转换上都遇到了天花板,想进一步提升功率就必须留出足够的散热空间,也就是牺牲体积。
为此,英飞凌曾推出过“Cool MOSFET”(Coolmos),这是一种改进型结构的MOSFET,具有更低的导通电阻、更快的开关速度,可以实现更高的功率转换效率。还记得联想在2018年推出的ThinkPlus口红电源吗?这款超迷你的65W充电器只有成年人的两根手指大小,重量不足120g,堪称充电器领域的“小网红”。
而它能之所以能实现如此迷你身材,就是内置了型号为IPL60R365P7的英飞凌Cool MOSFET芯片。
可惜,哪怕是Cool MOSFET也依旧存在天花板,在65W功率下ThinkPlus的体型就算是极限了。还好,市面上随后出现了一类主打GaN(氮化镓)的迷你充电器,同样是65W的充电功率,体型却比ThinkPlus小了一大圈,几乎和传统手机用的18W快充充电器大小差不多。
那么,这种超迷你的大功率充电器又是怎样炼成的呢?
氮化镓的神助攻
目前主流的MOSFET都是基于Si硅制造的,既然这种半导体材料在高功率下已经不堪重负,那更换另外一种半导体材料不就结了?
于是,一种名为“GaN”(氮化镓)的元素出现了,它是由氮和镓组成的一种人造化合物,与碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄。
GaN氮化镓材料稳定又坚硬,它的熔点约为1700℃,做成GaN功率器件(GaNFET)后可以在200℃以上的高温下工作。氮化镓比硅材料的禁带宽度大3倍、击穿场强高10倍、饱和电子迁移速度快3倍、热导率高2倍,这些性能提升带来的优势就是它比硅更适合做大功率高频的功率器件。
假如电源插孔内的交流电是一望无际的湖水,充电器内的功率器件就像勺子,需要不断将插孔内的湖水捞出,转化为直流电后再传输给数码设备供电。此时,用MOSFET做的勺子每秒钟只能勺10下,再快就有烧毁罢工的风险。而GaNFET做的勺子每秒则可以勺至少30下,效率高还不怕累。
在这种低损耗和高开关频率特性的帮助下,GaN氮化镓能以更低的发热量去承受更大的功率。因此,功率相同的充电器,采用GaNFET功率器件的产品往往可以做的更轻巧迷你。
需要注意的是,GaN充电器并不是什么新鲜事物,早在2018年底,ANKER就在美国纽约发布了型号为“PowerPort Atom PD 1”的GaN充电器,在年初CES2020大展上亮相的GaN充电器数量更是接近70款,覆盖18W~100W等多个充电功率档位。
还记得2019年10月上市的OPPO Reno Ace吗?这款手机支持高达65W的SuperVOOC 2.0闪充,其标配的充电器就使用了氮化镓,OPPO也因此成为了全球首家在充电器中导入GaNFET的手机厂商。
可惜,OPPO Reno Ace的GaN充电器并不支持PD协议,只有搭配支持自家SuperVOOC 2.0技术的手机才能输出65W,较窄的适用范围注定它很难被大众所熟知。此外。Reno Ace标配的65W充电器体型较大,并没有体现出氮化镓可以帮助充电器瘦身的特性。
今年OPPO还高调发布了125W闪充充电器、110W 超闪mini充电器、65W AirVOOC无线充电器和50W超闪饼干充电器,它们的共性就是身材性感,而且兼容SuperVOOC、VOOC和PD等快充协议,兼容性更好。
而这些新一代闪充充电器可以瘦身的秘诀,依旧是内部加入了氮化镓高频开关。以50W超闪饼干充电器为例,它的厚度仅10.5mm,配合折叠插脚设计,轻松适应日常收纳携带,可轻松放置于衬衫、牛仔裤口袋,超小无负担。
时至今日,引入氮化镓的充电器已经成为高端手机的标配,在第三方PD充电器市场也呈现出了燎原之势,甚至已经出现了支持90W~120W的氮化镓充电器,可以同时为轻薄本和手机满血充电。
小结
抛开GaN氮化镓在其他领域的贡献不谈,单凭它对充电器功率提高和体型缩小的改进来看,就是一项非常值得期待和普及的技术。未来,一个只有1/4烟盒大小的充电器就能具备超过100W的输出功率,兼容所有的数码设备,想想都美妙。同时,我们也希望氮化镓能早日用于游戏本的电源适配器,帮助150W起步的“砖头”瘦身,终结游戏本越来越轻薄而适配器却依旧呆板笨重的历史。
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发表于 03-19 14:57
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由于快充的输出功率更加高,它对变压器要求不同于普通充电器,它的高频变压器体积会更加大一点,开关管也会更大一点。 这里再说一下现在氮化镓充电器,普通充电器用的开关管基本都是硅和锗半导体材料做成,但是
发表于 09-22 17:51
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的能隙很宽,为3.4电子伏特,可以用在高功率、高速的光电元件中,例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管,可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器(Diode-pumped solid-state laser)的条件下,产生紫光(405nm)激光。 2、氮化镓跟普通充电器有什么区别
发表于 07-10 15:35
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倍思120W氮化镓充电器是一款120W氮化镓 (GaN)+碳化硅(SiC) 充电器。 有2个USB Type-C输出接口和1个USB Type-A输出接口,Type-A接口内部为红色。 支持全协议
发表于 08-31 16:37
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2021 最新氮化镓充电器拆解:小白也能看懂,涨见识!2021 氮化镓充电器深度拆解,不只看个爽,还能学知识!
发表于 12-09 14:55
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氮化镓是下一代功率半导体技术,运行速度比传统硅快20倍,和传统硅充电器相比,氮化镓充电器在一半的尺寸和重量下,能实现3倍功率或3倍的充电速度。
发表于 01-12 15:23
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电子发烧友报道(文/李诚)随着硅基氮化镓成本的下探,65W氮化镓快充已成为众多手机的入门级标配。氮化镓技术的普及,使得原本臃肿的充电器变得更轻便小巧,在输出功率和产品的系统效率方面均有不小的提升
发表于 02-05 08:10
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氮化镓快充已然成为了当下一个非常高频的词汇,在氮化镓快充市场迅速增长之际,65W这个功率段恰到好处的解决了大部分用户的使用痛点,从而率先成为了各大品牌的必争之地,ncp1342替代料PN8213氮化镓充电器主控芯片,适用于65w氮化
发表于 05-09 16:42
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镓充电器主控芯片,适用于65w氮化镓充电器芯片方案。NCP1342替代料PN8213芯片特征■内置高压启动电路■供电电压9~57V,适合宽输出电压应用■Valle
发表于 05-07 11:36
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的行业痛点问题,安睿信科技现已推出基于国内氮化镓功率器件。 英诺赛科InnoGaN™的INN650设计出一系列大功率充电器方案,例如:下面介绍的这款已投放市场批量生产应用的65w氮化镓充电器方案。 GaN氮化镓
发表于 06-02 15:32
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大功率的充电器会把手机充坏吗?答案是:不会。因为充电器在给手机充电的时候,它们俩会进行一系列的通讯、交流,能够随时调整电压、电流。
发表于 06-13 15:11
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氮化镓充电器从最开始量产至今,已过去了四年多,售价也从原本数百元天价到逐渐走向亲民,近日充电头网发现,联想悄然地发动氮化镓快充价格战,65W 双口氮化镓快充直接将价格拉低至 59.9 元,一瓦已经不足一元,并且顺丰包邮。
发表于 06-14 10:13
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深圳市誉鸿锦推出了一款NITRIDE品牌的饼干氮化镓充电器,充电器内置平面变压器和氮化镓器件、超薄X2安规电容,助力超薄设计,厚度仅为12.8mm。支持65W输出功率,双口同时使用时支持功率自动分配,且双口均支持快充,能够满足两个设备的同时快充需求
发表于 12-02 16:35
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与普通半导体的硅材料相比,氮化镓的带隙更宽且导热好,能够匹配体积更小的变压器和大功率电感,所以氮化镓充电器有体积小、效率高、更安全等优势。
发表于 02-05 14:33
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材质上比普通的快充更加的高级,氮化镓是第三代半导体材料,功率密度更大,体积小,充电速度快,这些都是氮化镓快充的优势。
发表于 02-09 17:24
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硅基氮化镓充电器是一种利用硅基氮化镓材料作为电池正极材料的充电器,具有高功率密度、高安全性和高可靠性等优点。
发表于 02-14 15:41
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氮化镓属于第三代半导体材料,相对硅而言,氮化镓间隙更宽,导电性更好,将普通充电器替换为氮化镓充电器,充电的效率更高。
发表于 02-14 17:35
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因此,VisIC Technologies 已经证明其 D³GaN(直接驱动耗尽型氮化镓)半导体技术非常适合最具挑战性的大功率汽车应用。快速开关应用中需要担忧的并联以及波形振荡问题已得到解决。
发表于 02-17 10:40
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在全球“碳中和”趋势下,以电动汽车为代表掀起的“绿色革命”,充满了巨大的机遇。随着电动汽车市场迅速增长,新的需求正不断驱动高压电池组的应用,同时也让大功率充电器设计得到了深切关注。 今天瑞萨君就为
发表于 04-07 00:55
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