氮化镓在USBPD快充PFC中的应用优势

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氮化镓相比传统的硅器件,最明显的提升是减小了充电器的体积,使同功率充电器的体积只有原来的一半大小,同时效率也得到同步的提升,降低充电器的散热需求。

图为小米三款65W充电器体积对比,可以看到使用了氮化镓功率芯片的AD65G,体积仅为使用常规硅功率器件的CDQ07ZM一半大小。氮化镓的使用大大提高了充电器的功率密度,减小充电器的体积。

氮化镓具有高耐压、高速开关、低导通电阻、高效率的特性,可以支持更高的开关频率,可以减小充电器的磁性元件,如变压器,电感等体积,同时损耗更低。使用氮化镓能让充电器在体积做小的同时,内部设置多口输出的降压电路,而不增加整体体积,提高充电器的竞争力。

氮化镓用于PFC电路的优势

充电头网选取了两款同为W的充电器,其中均采用了PFC电路,分别选用常规硅器件和氮化镓器件,下面将从硅器件和氮化镓器件的参数上进行对比。

小米W充电器是搭配小米10至尊纪念版手机推出的一款充电器,采用小米魔改USB-A接口,支持20V6A输出,可在5分钟内为mAh电池充入41%电量,处于行业中的佼佼者。同时这款充电器还支持65WPD快充,可为笔记本充电,一头多用。

小米W充电器的PFC升压级使用了意法半导体的STL24N60M6,是一颗耐压V的NMOS,导阻为mΩ。

STL24N60M6采用PowerFLAT8x8HV封装,适用于开关应用,LLC转换器和升压PFC转换器应用。

下面是这款管子的详细参数部分,其中Ciss即栅极的输入电容,为pF。

体二极管参数,STL24N60M6的体二极管反向恢复电荷在60V,常温下反向电荷为2.3μC,反向恢复时间为ns。

尚巡W氮化镓适配器为折叠插脚,自带圆口输出线缆,固定19V输出,可用于显示器,笔记本电脑及NUC电脑应用,体积和重量相比传统W电源显著缩小。

尚巡V氮化镓适配器的升压级采用英诺赛科INND02,是一颗耐压V的增强型氮化镓开关管,导阻为mΩ。

英诺赛科INND02采用DFN8X8封装,支持超高的开关频率,并且无反向恢复电荷,可应用于图腾柱PFC等高频高密度快充应用。

英诺赛科INND02的Ciss输入电容仅为70pF。

同时由于氮化镓无反向恢复电荷,INND02反向恢复电荷、恢复时间和反向恢复峰值电流均为0。

这里意法半导体STL24N60M6参数与英诺赛科INND02参数相近,封装也类似,所以采用这两颗管子进行常规硅器件与氮化镓器件的性能对比。

栅极电荷的对比

首先是栅极电荷,STL24N60M6的栅极电荷为pF,INND02的栅极电荷为70pF。之前的AllGaN快充解决方案中介绍过,Ciss等效为一个电容,可以理解成,为电容充电,栅极达到开启电压,器件导通,为电容放电,电压为零,器件截止。

Ciss的减小,可以显著减小初级控制器或外挂驱动器的功耗,可以降低驱动器的温升,提高稳定性并提高效率,另外氮化镓器件6V的驱动电压,相比硅MOS10V的驱动电压降低,也降低了驱动器的驱动难度。为电源运行在更高的频率下夯实了基础。

另外栅极电荷充电,在传统的MOS管上带来了开通损耗和关断损耗,也就是上升时间和下降时间。在这个时间内,MOS管处于线性区,从而产生开关损耗。氮化镓的栅极电荷非常小,上升和下降时间都非常短,这个开关损耗是非常小的。

反向恢复

这里引用恩智浦TEAT的应用电路图举例。

这是充电器中应用非常广泛的升压PFC电路图,M1就是PFC升压开关管。常规硅MOS由于结构和工艺原因,都会有一个体二极管。而二极管必然存在结电容。也就是说,整流后的电压,会通过电感先给MOS管的体二极管充电,体二极管储存的电荷,在MOS管导通时,通过MOS管的DS释放,在MOS管关闭时,也是同步为体二极管充电。

MOS管的体二极管充放电及恢复电荷制约了PFC的开关频率,电容充放电的功率损耗拉低了电源的转换效率,还拉高了系统中的峰值电流,造成EMI干扰。而氮化镓器件因为没有体二极管,没有反向恢复电荷,所以没有充放电损失,没有峰值电流,能够有效提高开关频率并提高效率。

充电头网总结

氮化镓以易驱动,无反向恢复的优势,非常适合于硬开关应用。通过应用氮化镓器件到充电器中,消除了体二极管的电容充放电损耗,提高了电源转换效率。同时得益于损耗降低,还可以提高充电器的开关频率,缩小充电器体积。

目前氮化镓器件已经广泛应用在快充上,未来,氮化镓将在更多的功率转换场合中发挥更重要的作用,应用在服务器电源中,可降低大功率电源损耗数十瓦,为降低数据中心,5G基站能耗做出贡献。应用在新能源汽车中,可生产效率更高,体积更小的车载充电器。氮化镓未来还将应用在更多的设备中,改变我们的生活。




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