對(duì)比 SiC、GaN 和硅,哪種 AC 適配器性能最好?
發(fā)布時(shí)間:2019-11-29 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】根據(jù) TechInsights 針對(duì)三個(gè)主要產(chǎn)品分析,有效的大功率、緊湊型 AC 適配器可采用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和硅超接合面這三種材料來設(shè)計(jì)制造,哪種 AC 適配器性能最好?
根據(jù) TechInsights 針對(duì)三個(gè)主要產(chǎn)品分析,有效的大功率、緊湊型 AC 適配器可采用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和硅超接合面這三種材料來設(shè)計(jì)制造,哪種 AC 適配器性能最好?
AC 適配器的存在不斷提醒著,我們鐘愛的移動(dòng)設(shè)備并不像想象的那樣具有移動(dòng)性。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備都需要定期重新連接 AC 適配器,為其鋰離子電池充電。
雖然需求保持不變,但充電技術(shù)的背后卻在不斷發(fā)生變化。雖然硅一直是該領(lǐng)域的成熟技術(shù),但制造商們現(xiàn)在正在考慮采用碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的效率。
最初,大多數(shù) AC 適配器基本上是線性電源,它將變壓器與橋式整流器,以及電容濾波器組合在一起,將 AC 主電壓轉(zhuǎn)換為平滑的低壓 DC 電流以便適合為電池充電。這些適配器僅限于特定的 AC 電壓輸入,以產(chǎn)生特定的 DC 電壓輸出,通常不能在國際上通用。
它們又笨重又累贅,每個(gè)需要 DC 電源的設(shè)備通常都需要一個(gè)不同的適配器。而且,基于線性變壓器的充電技術(shù)效率低下,因?yàn)槎嘤嗟墓β蕰?huì)以熱量的形式耗散,即使在無負(fù)載電流的情況下也會(huì)耗散功率。
自 20 世紀(jì) 80 年代以來,開關(guān)模式電源(SMPS)逐步取代了基于線性變壓器的充電技術(shù)。各種各樣的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn),但基本上,它們都基于相同的原理:AC 電壓被整流為高 DC 電壓用以驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路,這種開關(guān)電路包含一個(gè)高頻工作的變壓器,并以所期望的低電壓輸出 DC 電流。
SMPS 的最大好處是它們適用于各種 AC 輸入電壓和頻率,因此得以生產(chǎn)「國際通用」的適配器。此外,SMPS 還可以透過配置產(chǎn)生各種 DC 輸出,利用改變高壓開關(guān)電路的開 - 關(guān)時(shí)間比例即可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。
相對(duì)較新的 USB-C 充電標(biāo)準(zhǔn)旨在提供高達(dá) 100W(比如電壓為 20V、電流為 5A)的可變充電功率,從而可以使用單個(gè) AC 適配器為各種設(shè)備充電。此外,USB-C 線纜是雙向的,即可以使用相同的數(shù)據(jù)線透過顯示器為筆記本電腦充電或利用筆記本電腦為手機(jī)充電,設(shè)備一旦連接,充電功率和電壓即可動(dòng)態(tài)配置。
用于消費(fèi)類應(yīng)用的 SMPS 通常需要額定電壓為 600V 的場(chǎng)效晶體管(FET)。該 FET 用來驅(qū)動(dòng) SMPS 中變壓器的高壓高頻開關(guān)。
合適的 FET 可以采用寬能隙(WBG)GaN、SiC 或硅制造。硅基超接合面(SJ)MOSFET 技術(shù)目前在移動(dòng)設(shè)備 AC 適配器市場(chǎng)仍占主導(dǎo)地位,但 GaN 和 SiC 組件將提供更高的效率和更小的外形尺寸。
目前提出的 GaN 組件是在 GaN-on-Si 基板上形成的橫向高電子移動(dòng)率晶體晶體管(HEMT)。寬能隙市場(chǎng)目前有多家 AC 適配器新創(chuàng)公司,但截至目前還沒有一家主要 OEM 采用這種技術(shù)。接下來,本文將比較這三種關(guān)鍵組件。
Avogy Zolt 充電器采用 SiC
2016 年,TechInsights 曾研究 Avogy 的 Zolt 筆記本電腦充電器,型號(hào) ZM070LTPX01-G。盡管 Avogy 聲稱是 GaN 組件供貨商,但 TechInsights 卻發(fā)現(xiàn) Zolt 中采用了一個(gè) SiC 功率 FET,而且可能由 Cree 制造,包裝卻印上了 Avogy 的標(biāo)記。
TechInsights 在 PntPower.com 的同事隨后指出,Avogy 采用 SiC 組件的原因之一是當(dāng)時(shí) SiC 可用并有效。圖 1 展示了 Zolt 筆記本電腦充電器主板,并標(biāo)示了 AV150-00028 SiC 組件的位置。
圖 1 Zolt 筆記本電腦充電器主板。
Avogy 現(xiàn)在已不再是一家獨(dú)立公司,但 Avogy Zolt 仍能透過第三方零售商購買。TechInsights 追蹤了 Zolt 產(chǎn)品的 14 項(xiàng)設(shè)計(jì),涉及多家公司,其中包括英飛凌(Infineon)、Maxim、Microchip 和德州儀器(TI)等。
采用 GaN 的 RAVPower RP-PC104
自 2016 年以來,GaN 商用市場(chǎng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展?,F(xiàn)在有越來越多的供貨商提供基于 GaN 的 AC 適配器,包括 RAVPower、Anker、FINsix、Made in Mind(Mu One)等。
現(xiàn)在有許多供貨商提供 GaN FET 組件,從 GaN Systems 和 Navitas 等小型新創(chuàng)公司到英飛凌和 Panasonic 等大型企業(yè)。最近,TechInsights 發(fā)布了對(duì) RAVPower RP-PC104 45 W USB-C 充電器的一些拆解結(jié)果,該充電器宣稱基于 GaN 技術(shù)。
我們發(fā)現(xiàn) RP-PC104 采用了兩顆 Navitas NV6115 GaN 功率 IC。圖 2 顯示 RP-PC104 主板,標(biāo)示了 Navitas NV6115 的位置。
圖 2 RP-PC104 主板。
TechInsights 隨后在 Made in Mind Mu One 45W 充電器和 Aukey PA-U50 24W USB 充電器中也找到了 Navitas 組件。Mu One 充電器與 RavPower 充電器的設(shè)計(jì)基本相同,兩者似乎都基于 Navitas 參考設(shè)計(jì)。
Aukey PA-U50 尤其令人感興趣,因?yàn)樗捎昧诵碌?Navitas NV6250 整合半橋 IC。TechInsights 目前正在對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)研究,圖 3 顯示了 RP-PC104 中整合 GaN HEMT 裸晶的 NV6115 芯片。
圖 3 NV6115 芯片。
Innergie 60C 采用了硅
TechInsights 最近購買了由 Delta Electronics Group 制造的 Innergie 60C USB-C 60W 適配器,預(yù)期其應(yīng)采用 GaN 組件。網(wǎng)絡(luò)傳聞該設(shè)備采用了一個(gè) 600V 英飛凌 CoolMOS 超接合面 MOSFET,但 Delta 用安全涂料遮蓋了標(biāo)記。
TechInsights 對(duì) Innergie 60C 的拆解證實(shí)了它的確采用了 600V 英飛凌 IPL60R185C7 CoolMOS 組件并使用了安全涂料。但是,在該產(chǎn)品中沒有找到任何 GaN 組件。
圖 4 顯示 Innergie 60C 內(nèi)部的其中一小塊 PCB。圖中標(biāo)示了英飛凌 IPL60R185C7 600V CoolMOS 的位置,但標(biāo)記被遮蓋。TechInsights 計(jì)劃針對(duì) 600V 英飛凌 IPL60R185C7 CoolMOS 組件做一份更詳細(xì)的分析。
圖 4 Innergie 60C 內(nèi)部一塊 PCB。
AC 適配器前景展望
奇怪的是,在以上討論的三款 AC 適配器中,Innergie 60C 似乎提供了最佳的整體系統(tǒng)性能(表 1)。
表 1 三款適配器比較。
行動(dòng)充電器性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一是功率密度,即每立方英吋體積產(chǎn)生的瓦數(shù)。Innergie 60C 明顯是這一指標(biāo)的贏家,其功率密度最高,為 17.4W/in3;而較早出現(xiàn)的 Avogy Zolt 則體積最大且功率密度最低。
Innergie 60C 的制造商 Delta 是一家 AC 適配器的成熟制造商,其聲稱每年可以生產(chǎn) 8,000 萬個(gè)筆記本電腦適配器。因此 Innergie 60C 的設(shè)計(jì)極有可能是經(jīng)過高度優(yōu)化,GaN 組件需要進(jìn)一步優(yōu)化才能有效地與硅基超接合面 MOSFET 技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。
透過進(jìn)一步對(duì)幾大主要 OEM 商用充電器進(jìn)行研究,包括 Google Pixel 3、華為 Mate 200 Pro 和諾基亞 9 PureView 快速充電器,發(fā)現(xiàn)它們均采用了硅基超接合面 MOSFET 技術(shù)。顯然,硅技術(shù)繼續(xù)主導(dǎo)著這個(gè)市場(chǎng)。
由于 SiC 技術(shù)成本相對(duì)較高,因此不太可能在 AC 適配器市場(chǎng)取得大范圍應(yīng)用。相反,該技術(shù)更適合高壓應(yīng)用,目前它已成功取代了電動(dòng)和混合動(dòng)力車市場(chǎng)中的硅 IGBT 技術(shù)。
TechInsights 還發(fā)現(xiàn) GaN AC 適配器在功率密度方面還沒有超越高質(zhì)量的超接合面 AC 適配器。但無論如何,目前已知的 GaN 技術(shù)優(yōu)勢(shì),以及業(yè)界對(duì) GaN 解決方案開發(fā)興趣將最終導(dǎo)致 GaN 在 AC 適配器市場(chǎng)中取得成功,期望在高效率、小尺寸、高功率的 AC 適配器中更多地見到 GaN 的身影。
目前在 GaN HEMT 功率晶體管市場(chǎng)已經(jīng)有許多參與者,包括相對(duì)較新的新創(chuàng)企業(yè)和大型成熟企業(yè)。硅和 SiC 技術(shù)似乎已有獨(dú)立的市場(chǎng)利基,期待看到創(chuàng)新持續(xù)增長(zhǎng)且不斷發(fā)展,GaN 也能成為適配器領(lǐng)域有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
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