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对比 SiC、GaN 和硅,哪种 AC 适配器性能最好?

发布时间:2019-11-29 责任编辑:lina

【导读】根据 TechInsights 针对三个主要产品分析,有效的大功率、紧凑型 AC 适配器可采用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和硅超接合面这三种材料来设计制造,哪种 AC 适配器性能最好?
  
根据 TechInsights 针对三个主要产品分析,有效的大功率、紧凑型 AC 适配器可采用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和硅超接合面这三种材料来设计制造,哪种 AC 适配器性能最好?
 
AC 适配器的存在不断提醒着,我们钟爱的移动设备并不像想象的那样具有移动性。每个移动设备都需要定期重新连接 AC 适配器,为其锂离子电池充电。
 
虽然需求保持不变,但充电技术的背后却在不断发生变化。虽然硅一直是该领域的成熟技术,但制造商们现在正在考虑采用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术来实现更高的效率。
 
最初,大多数 AC 适配器基本上是线性电源,它将变压器与桥式整流器,以及电容滤波器组合在一起,将 AC 主电压转换为平滑的低压 DC 电流以便适合为电池充电。这些适配器仅限于特定的 AC 电压输入,以产生特定的 DC 电压输出,通常不能在国际上通用。
 
它们又笨重又累赘,每个需要 DC 电源的设备通常都需要一个不同的适配器。而且,基于线性变压器的充电技术效率低下,因为多余的功率会以热量的形式耗散,即使在无负载电流的情况下也会耗散功率。
 
自 20 世纪 80 年代以来,开关模式电源(SMPS)逐步取代了基于线性变压器的充电技术。各种各样的电路拓扑结构出现,但基本上,它们都基于相同的原理:AC 电压被整流为高 DC 电压用以驱动开关电路,这种开关电路包含一个高频工作的变压器,并以所期望的低电压输出 DC 电流。
 
SMPS 的最大好处是它们适用于各种 AC 输入电压和频率,因此得以生产「国际通用」的适配器。此外,SMPS 还可以透过配置产生各种 DC 输出,利用改变高压开关电路的开 - 关时间比例即可实现电压调节。
 
相对较新的 USB-C 充电标准旨在提供高达 100W(比如电压为 20V、电流为 5A)的可变充电功率,从而可以使用单个 AC 适配器为各种设备充电。此外,USB-C 线缆是双向的,即可以使用相同的数据线透过显示器为笔记本电脑充电或利用笔记本电脑为手机充电,设备一旦连接,充电功率和电压即可动态配置。
 
用于消费类应用的 SMPS 通常需要额定电压为 600V 的场效晶体管(FET)。该 FET 用来驱动 SMPS 中变压器的高压高频开关。
 
合适的 FET 可以采用宽能隙(WBG)GaN、SiC 或硅制造。硅基超接合面(SJ)MOSFET 技术目前在移动设备 AC 适配器市场仍占主导地位,但 GaN 和 SiC 组件将提供更高的效率和更小的外形尺寸。
 
目前提出的 GaN 组件是在 GaN-on-Si 基板上形成的横向高电子移动率晶体晶体管(HEMT)??砟芟妒谐∧壳坝卸嗉?AC 适配器新创公司,但截至目前还没有一家主要 OEM 采用这种技术。接下来,本文将比较这三种关键组件。
 
Avogy Zolt 充电器采用 SiC
2016 年,TechInsights 曾研究 Avogy 的 Zolt 笔记本电脑充电器,型号 ZM070LTPX01-G。尽管 Avogy 声称是 GaN 组件供货商,但 TechInsights 却发现 Zolt 中采用了一个 SiC 功率 FET,而且可能由 Cree 制造,包装却印上了 Avogy 的标记。
 
TechInsights 在 PntPower.com 的同事随后指出,Avogy 采用 SiC 组件的原因之一是当时 SiC 可用并有效。图 1 展示了 Zolt 笔记本电脑充电器主板,并标示了 AV150-00028 SiC 组件的位置。
 
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图 1 Zolt 笔记本电脑充电器主板。
 
Avogy 现在已不再是一家独立公司,但 Avogy Zolt 仍能透过第三方零售商购买。TechInsights 追踪了 Zolt 产品的 14 项设计,涉及多家公司,其中包括英飞凌(Infineon)、Maxim、Microchip 和德州仪器(TI)等。
 
采用 GaN 的 RAVPower RP-PC104
自 2016 年以来,GaN 商用市场取得了长足发展。现在有越来越多的供货商提供基于 GaN 的 AC 适配器,包括 RAVPower、Anker、FINsix、Made in Mind(Mu One)等。
 
现在有许多供货商提供 GaN FET 组件,从 GaN Systems 和 Navitas 等小型新创公司到英飞凌和 Panasonic 等大型企业。最近,TechInsights 发布了对 RAVPower RP-PC104 45 W USB-C 充电器的一些拆解结果,该充电器宣称基于 GaN 技术。
 
我们发现 RP-PC104 采用了两颗 Navitas NV6115 GaN 功率 IC。图 2 显示 RP-PC104 主板,标示了 Navitas NV6115 的位置。
 
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图 2 RP-PC104 主板。
 
TechInsights 随后在 Made in Mind Mu One 45W 充电器和 Aukey PA-U50 24W USB 充电器中也找到了 Navitas 组件。Mu One 充电器与 RavPower 充电器的设计基本相同,两者似乎都基于 Navitas 参考设计。
 
Aukey PA-U50 尤其令人感兴趣,因为它采用了新的 Navitas NV6250 整合半桥 IC。TechInsights 目前正在对其进行仔细研究,图 3 显示了 RP-PC104 中整合 GaN HEMT 裸晶的 NV6115 芯片。
 
对比 SiC、GaN 和硅,哪种 AC 适配器性能最好?
图 3 NV6115 芯片。
 
Innergie 60C 采用了硅
TechInsights 最近购买了由 Delta Electronics Group 制造的 Innergie 60C USB-C 60W 适配器,预期其应采用 GaN 组件。网络传闻该设备采用了一个 600V 英飞凌 CoolMOS 超接合面 MOSFET,但 Delta 用安全涂料遮盖了标记。
 
TechInsights 对 Innergie 60C 的拆解证实了它的确采用了 600V 英飞凌 IPL60R185C7 CoolMOS 组件并使用了安全涂料。但是,在该产品中没有找到任何 GaN 组件。
 
图 4 显示 Innergie 60C 内部的其中一小块 PCB。图中标示了英飞凌 IPL60R185C7 600V CoolMOS 的位置,但标记被遮盖。TechInsights 计划针对 600V 英飞凌 IPL60R185C7 CoolMOS 组件做一份更详细的分析。
 
对比 SiC、GaN 和硅,哪种 AC 适配器性能最好?
图 4 Innergie 60C 内部一块 PCB。
 
AC 适配器前景展望
奇怪的是,在以上讨论的三款 AC 适配器中,Innergie 60C 似乎提供了最佳的整体系统性能(表 1)。
 
 对比 SiC、GaN 和硅,哪种 AC 适配器性能最好?
表 1 三款适配器比较。
 
行动充电器性能的衡量标准之一是功率密度,即每立方英吋体积产生的瓦数。Innergie 60C 明显是这一指标的赢家,其功率密度最高,为 17.4W/in3;而较早出现的 Avogy Zolt 则体积最大且功率密度最低。
 
Innergie 60C 的制造商 Delta 是一家 AC 适配器的成熟制造商,其声称每年可以生产 8,000 万个笔记本电脑适配器。因此 Innergie 60C 的设计极有可能是经过高度优化,GaN 组件需要进一步优化才能有效地与硅基超接合面 MOSFET 技术竞争。
 
透过进一步对几大主要 OEM 商用充电器进行研究,包括 Google Pixel 3、华为 Mate 200 Pro 和诺基亚 9 PureView 快速充电器,发现它们均采用了硅基超接合面 MOSFET 技术。显然,硅技术继续主导着这个市场。
 
由于 SiC 技术成本相对较高,因此不太可能在 AC 适配器市场取得大范围应用。相反,该技术更适合高压应用,目前它已成功取代了电动和混合动力车市场中的硅 IGBT 技术。
 
TechInsights 还发现 GaN AC 适配器在功率密度方面还没有超越高质量的超接合面 AC 适配器。但无论如何,目前已知的 GaN 技术优势,以及业界对 GaN 解决方案开发兴趣将最终导致 GaN 在 AC 适配器市场中取得成功,期望在高效率、小尺寸、高功率的 AC 适配器中更多地见到 GaN 的身影。
 
目前在 GaN HEMT 功率晶体管市场已经有许多参与者,包括相对较新的新创企业和大型成熟企业。硅和 SiC 技术似乎已有独立的市场利基,期待看到创新持续增长且不断发展,GaN 也能成为适配器领域有力的竞争者。
 
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