关键词：快速充电, 氮化镓, 电源管理
不断提高设备的能效是一个永无止境的目标。第三代宽禁带（WBG）半导体材料独有的高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特性，不仅能够满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等最新需求，还可以降低50%以上的能量损失，最高可使设备的体积减小近75%。以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体材料已经开始在射频和功率领域挑战硅（Si）材料的统治地位。
SiC的禁带宽度为3eV，SiC基MOSFET非常适用于高频工作的高击穿、高功率等应用。与Si相比，因RDS(on) 等参数随温度的变化较小，在设计中可以有更宽的工作边界，从而提供额外的性能。
GaN具有比SiC更高的禁带宽度（约为3.4eV）和更高的电子迁移率。它的击穿场强是Si的10倍，电子迁移率是Si的2倍，输出电荷和栅极电荷都比硅低10倍，反向恢复电荷几乎为零，这是高频工作的关键。可以说，GaN是现代谐振拓扑中最适合的技术。
图 1：GaN尤其适用于高频开关应用，而 SiC更适用于高温应用（图片来源：Infineon）
快速“火”起来的GaN充电器市场
从理论上讲，GaN比传统的硅MOSFET具有更大的技术优势，已经有越来越多的“玩家”加入。随着价格的不断降低，GaN器件正在成为功率市场的有力竞争者。根据市场调研机构Yole Developpment的预测，尽管与328亿美元的硅功率器件市场相比，现有的GaN市场还很小，但GaN器件已经开始渗透到很多应用领域。若论最吸引众人眼球或者市场最火爆的应用，非GaN充电器莫属。
图 2：市场调研机构 YoleDeveloppment预计，将 GaN技术在快充和无线充电领域的应用很可能快速引爆 GaN功率器件市场（图片来源：Yole Developpment）
其实，GaN充电器市场的火爆是有原因的。想必很多消费者都有这样痛苦的经历，每逢出差，必须携带手机、平板电脑和笔记本电脑使用的多个充电器和适配器，有限的行李空间被这些“必备的物品”占去大半。怎么解决这个难题呢？统一充电器和适配器的标准应该是最彻底的解决方案，目前看来可操作性不高。现实唯一可行的办法就是提高功率密度，尽量缩小这些充电器和适配器的体积。
尺寸小、充电快是GaN充电器的最大优势，一经面世，市场很快就接受了这个产品。据统计，在今年初的CES2020上，GaN充电器就随处可见，大有星火燎原之势。
图 3：GaN器件的商业化应用（图片来源：小米）
GaN充电器的设计实例
每个新技术快速商用的背后，总会有不少技术“推手”，GaN充电器也不例外。随着这一市场热度的持续升温，各个GaN厂商也在加紧推出新的方案以应对市场所需。下面我们就介绍几个典型设计实例，供大家参考。
英飞凌 是业界唯一一家掌握Si、SiC和GaN等所有功率半导体技术的公司，其CoolGaN™
600 V增强型HEMT（高电子迁移率晶体管）经过专门优化，可实现快速开通和关断，在开关模式电源（SMPS）中能实现高能效和高功率密度，其优值系数（FOM）在当前市场上的所有600V器件中首屈一指。CoolGaN™ 的输出电荷和栅极电荷均比硅低10倍，反向恢复电荷几乎为零，这是高频工作的关键。该器件具有极少输出电容，可在反向导通状态下提供优异的动态性能，大幅提高工作频率，从而通过缩小被动元器件的总体尺寸，提高功率密度。
在GaN充电器中，为了在功率密度上实现突破，目前，此类系统中使用的典型功率拓扑为反激式功率变换拓扑。英飞凌CoolGaN™ 产品采用的就是这种拓扑结构，在功率密度方面有着很大突破，最高可达20W/in3 （最大输出功率为65W）。
英飞凌在其GaN充电器白皮书中推荐的非对称反激式功率变换拓扑见图4，该拓扑利用磁化电流和同步整流开关的ZCS（零电流开关）构成初级侧半桥的ZVS（零电压开关），为实现最高转换效率奠定了基础。
图 4 同步整流不对称PWM反激原理图（图片来源：Infineon）
通过一些极客的拆解我们知道，纳微半导体 （Navitas）推出的GaNFast 氮化镓功率芯片NV6115 和NV6117 ，也是上文中提到的小米65W GaN充电器中的关键器件，它们使得该充电器在功率密度上实现了突破。与安森美半导体 的NCP51530 （700 V高低边驱动器）和德州仪器 的 UCC28780 （反激式控制器）相互搭配构成的高频开关，大幅缩减了充电器中的变压器体积。
Navitas的NV6115 和NV6117 为650 V GaNFast 电源IC，针对高频软开关拓扑进行了优化。扩展了传统拓扑结构如反激式、半桥式、谐振式等功能，可简化高频率、高能量密度开关模式电源的设计。
图 5：NV6115典型应用原理图（图片来源：Navitas） GaNFast 的移动快充产品和平台，其中包括顶级OEM正在批量生产的壁式充电器，其功率范围从24W至300W。三星、Oppo、小米和Verizon等都是Navitas的客户。采用GaNFast 的充电器具有USB-C功能，不仅可以提供足够的电量为笔记本电脑快速充电，并能为智能手机、平板电脑、耳机和VR耳机等所有其他移动设备快速并安全地充电。
设计一个完整高效的GaN充电器，除了上述的GaN器件，一些起关键支持作用的外围元器件也同样不可或缺。
从图4中可以看到，位于原理图中心位置有一颗电解电容，在这里它是谐振电容。在非对称反激变换器中，谐振电容 和变压器之间共享能量存储以及从一次侧到二次侧的能量传递。因此，变压器的尺寸可以大大缩小。正如在英飞凌
CoolGaN™ GaN充电器方案中提到的，高质量的电容器同样是GaN充电器设计中的关键元件，比如充电器输出滤波采用的贴片电容，小尺寸的电容非常有助于充电器体积的缩减。
英飞凌的这一观点与KEMET 公司技术专家看到的市场趋势相一致。在前不久参与《大咖在DK》专题视频访谈中，KEMET的技术专家透露，在小米推出的65W GaN充电器中就采用了两颗KEMET的聚合物钽电容，并联使用做输出滤波。(点击这里，查看视频访谈 )
与传统充电器中用聚合物铝电解电容做输出滤波的方案相比，使用聚合物钽电容最突出的优势就是体积更小——据测算可减小75%，这也是与GaN充电器要求的产品特性相吻合的。还有一些充电器方案会采用高容值的贴片陶瓷电容并联的方式来做输出滤波，但是由于随着电压的增加，陶瓷电容会呈现出一定的直流偏压特性，影响最终的效果，此外由于要使用多颗电容并联，也会增加PCB的占板面积和系统整体成本。
与传统的二氧化锰钽电容及其他类型的电容相比，聚合物钽电容的其他优势还包括：更高的耐压、改善了降额特性、更加安全、容值稳定等，这也令其成为GaN充电器设计中一个重要技术选项。
当然，除了在GaN充电器的输出电容，在输入端也会用到一些安规电容，KEMENT也有相应的产品提供。KEMET总结了一些可以在GaN充电器中一显身手的电容产品，包括：
上述这些GaN充电器相关的产品详细信息，可通过Digikey网站上获得，也可在网站上直接下单购买。
结语
目前，对手机进行快速充电等电源应用是GaN功率器件的主要应用市场。之前进入这一领域的，很多是中小企业，市场影响力和关注度稍显不足。但当小米等智能手机制造商开始向市场上推出他们基于GaN技术的充电产品时，GaN充电产品的春天也就到了。你是否也准备参与到这个火爆的市场中来？希望本文介绍的这些新技术和方案，能够对你下一步的技术决策有所帮助。
更多Digi-Key网站上的GaN技术资源可参考：
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