不斷提高設備的能效是一個永無止境的目標。第三代寬禁帶（WBG）半導體材料獨有的高熱導率、高擊穿場強、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體材料已經開始在射頻和功率領域挑戰(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、高功率等應用。與Si相比，因RDS（on）等參數隨溫度的變化較小，在設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，反向恢復電荷幾乎為零，這是高頻工作的關鍵。可以說，GaN是現(xiàn)代諧振拓撲中最適合的技術。
圖1：GaN尤其適用于高頻開關應用，而SiC更適用于高溫應用
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具有更大的技術優(yōu)勢，已經有越來越多的“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。根據市場調研機構Yole Developpment的預測，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器件已經開始滲透到很多應用領域。若論最吸引眾人眼球或者市場最火爆的應用，非GaN充電器莫屬。
圖2：市場調研機構YoleDeveloppment預計，將GaN技術在快充和無線充電領域的應用很可能快速引爆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。想必很多消費者都有這樣痛苦的經歷，每逢出差，必須攜帶手機、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準應該是最徹底的解決方案，目前看來可操作性不高。現(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，一經面世，市場很快就接受了這個產品。據統(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)化應用
圖片來源：小米
GaN充電器的設計實例
每個新技術快速商用的背后，總會有不少技術“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對市場所需。下面我們就介紹幾個典型設計實例，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等所有功率半導體技術的公司，其CoolGaN?600 V增強型HEMT（高電子遷移率晶體管）經過專門優(yōu)化，可實現(xiàn)快速開通和關斷，在開關模式電源（SMPS）中能實現(xiàn)高能效和高功率密度，其優(yōu)值系數（FOM）在當前市場上的所有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，反向恢復電荷幾乎為零，這是高頻工作的關鍵。該器件具有極少輸出電容，可在反向導通狀態(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撲為反激式功率變換拓撲。英飛凌CoolGaN?產品采用的就是這種拓撲結構，在功率密度方面有著很大突破，最高可達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撲見圖4，該拓撲利用磁化電流和同步整流開關的ZCS（零電流開關）構成初級側半橋的ZVS（零電壓開關），為實現(xiàn)最高轉換效率奠定了基礎。
圖4 ：同步整流不對稱PWM反激原理圖
圖片來源：Infineon
基于上述拓撲，英飛凌開發(fā)了采用500v/140mΩMOSFET的65W樣機，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。與安森美半導體的NCP51530（700 V高低邊驅動器）和德州儀器的 UCC28780（反激式控制器）相互搭配構成的高頻開關，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，針對高頻軟開關拓撲進行了優(yōu)化。擴展了傳統(tǒng)拓撲結構如反激式、半橋式、諧振式等功能，可簡化高頻率、高能量密度開關模式電源的設計。
圖5：NV6115典型應用原理圖
圖片來源：Navitas
據統(tǒng)計，現(xiàn)在市場上約有50余種使用了GaNFast的移動快充產品和平臺，其中包括頂級OEM正在批量生產的壁式充電器，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、平板電腦、耳機和VR耳機等所有其他移動設備快速并安全地充電。
不可或缺的支持元件
設計一個完整高效的GaN充電器，除了上述的GaN器件，一些起關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到二次側的能量傳遞。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，高質量的電容器同樣是GaN充電器設計中的關鍵元件，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。
英飛凌的這一觀點與KEMET公司技術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。
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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——據測算可減小75%，這也是與GaN充電器要求的產品特性相吻合的。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充電器設計中一個重要技術選項。
當然，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也有相應的產品提供。KEMET總結了一些可以在GaN充電器中一顯身手的電容產品，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充電器相關的產品詳細信息，可通過Digikey網站上獲得，也可在網站上直接下單購買。
結語
目前，對手機進行快速充電等電源應用是GaN功率器件的主要應用市場。之前進入這一領域的，很多是中小企業(yè)，市場影響力和關注度稍顯不足。但當小米等智能手機制造商開始向市場上推出他們基于GaN技術的充電產品時，GaN充電產品的春天也就到了。你是否也準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和方案，能夠對你下一步的技術決策有所幫助。