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氮化镓能否在除充电器以外的场合应用?

2021-10-26 充电头网 阅读:
第三代氮化镓自从批量化生产以来,广泛的应用大幅改变了我们的充电体验。氮化镓通过提高效率和提高开关频率,来缩小充电器的体积。最明显的感觉就是充电器的体积变小了,并且输出的功率也大大增加。氮化镓有这么多优势,那么,氮化镓还能在除充电器以外的场合应用吗?

第三代氮化镓自从批量化生产以来,广泛的应用大幅改变了我们的充电体验。氮化镓通过提高效率和提高开关频率,来缩小充电器的体积。最明显的感觉就是充电器的体积变小了,并且输出的功率也大大增加。jeSednc

氮化镓有这么多优势,那么,氮化镓还能在除充电器以外的场合应用吗?jeSednc

氮化镓实质上是一种开关管,相比传统硅MOS管具有更低的导通电阻,更小的输入输出电容,开关速度非常快,可以支持更高的开关频率。通过使用氮化镓开关管,可以突破传统硅器件的性能限制,生产出更高效率和更小体积的电源产品。jeSednc

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高压氮化镓主要应用在市电供电的开关电源初级,而存在感很低的低压氮化镓,目前的应用场合主要有用于移动电源或车充的同步降压/升降压应用,用于USB PD快充的同步整流和无人车激光雷达应用。jeSednc

同步升降压

同步升降压在大功率USB PD移动电源中应用非常广泛,绝大多数的大功率移动电源,都在内部使用了同步升降压电路为电池充电,电池放电输出。同步升降压可以在输入高于,低于,或者等于输出电压时都输出一个固定的电压值。即5V到20V输入,都可以为内置的4-5串电池充电,同时电池也可以输出5-20V的任意电压值。jeSednc

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同时同步升降压还具有双向输出功能,移动电源中,输入可以为内置电池充电,内置的电池还可以从输入接口反向输出,节省了一路充电或者输出电路,大大降低成本,也推动了大功率PD移动电源的普及。jeSednc

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由于E-MODE氮化镓器件在5V驱动电压下可以做到完全开启,支持逻辑电平驱动输出的同步升降压控制器,驱动电压通常也不超过6V,氮化镓可以直接替换传统硅MOS,兼容性很好。氮化镓开关管的极低输入电容可以显著减小驱动级损耗,提高开关频率,减小电感体积。jeSednc

并且低压氮化镓开关的CSP封装,面积仅为传统DFN5*6封装硅MOS管的数分之一,可以明显减小开关管的占板面积。配合高频下电感值减小,可提高电源的效率和功率密度。在车充和移动电源中应用氮化镓取代传统的硅MOS,可显著提高频率,减小体积并提高转换效率,实现小体积大功率的设计。jeSednc

USB PD降压应用

降压主要是多口USB PD充电器中使用,多路同步降压,将电源输出的固定电压,按照负载需求,降为需要的值输出为负载供电。每路独立的输出都需要一路降压电路,小体积的降压电路,也就成为高功率密度充电器的首选。jeSednc

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智融最新推出的SW3556,就是一颗支持氮化镓开关管的同步降压控制器。同步降压在多口的USB PD充电器中使用非常广泛,其原理是充电器中的开关电源输出一个高于最高输出电压的固定电压,再通过同步降压转换器,将高于最高输出的电压降压输出,满足宽电压输出的要求。jeSednc

随着现在LLC架构的普及,大功率充电器的功率密度越来越高,传统硅MOS的降压电路,占据了充电器中大约1/3的体积。将氮化镓快充内部的次级同步整流管,二次降压电路中的硅MOS全部替换成氮化镓,实现All GaN的设计,有助于进一步提高转换效率,提高电源功率密度。jeSednc

同步整流

同步整流在充电器中,是一个非常伟大的发明。同步整流通过使用同步整流控制器,检测变压器次级的电压,来判断是否需要开启同步整流管进行整流。MOS管的导阻很低,流过电流的压降远远低于肖特基二极管,整流管的功耗得到降低。目前在小功率高密度电源上,肖特基整流已经基本被同步整流所取代。jeSednc

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自从充电器的初级开关管被替换成氮化镓之后,制约充电器开关频率的,就剩下次级同步整流管了。传统硅MOS在高频开关时,输入电容在驱动器上会造成很大的功率损耗,不仅大大增加了驱动难度,还降低了整体转换效率。jeSednc

使用氮化镓代替传统硅MOS,器件的输入电容大大减小了,高频驱动的功耗,也就得到明显的减小。提高电源的开关频率也就成为了可能。目前英诺赛科已经推出了初级开关管和同步整流管均为氮化镓的解决方案,体积得到显著优化。jeSednc

激光雷达

激光雷达应用氮化镓,不是相关从业者还比较陌生。小编在互联网上查询简要归纳了一下,激光雷达可以以厘米级精度探测周边环境的三维信息,并识别出物体的距离和轮廓。激光雷达中需要非常短的脉冲,来实现高分辨率,并且需要足够的峰值功率,来保证必要的距离。通过高分辨率和距离来满足自动驾驶和辅助驾驶应用要求。jeSednc

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激光雷达相当于车辆的眼睛,需要非常短的时间来测量车辆对于障碍物的距离和形状,通过车载计算机处理控制避免发生碰撞。jeSednc

通过应用氮化镓器件控制激光二极管的工作,氮化镓在激光雷达应用中可以提供<1纳秒的下降和上升时间,满足高耐压和峰值电流的需求,为激光雷达低价格,小体积,高性能的追求提供了理想的解决方案。jeSednc

手机

2021年7月22日,OPPO举行的闪充开放日交流活动上,OPPO首次将低压氮化镓应用在了手机内部电路上,用于快充充电的路径管理。jeSednc

使用氮化镓开关管后,只需一颗氮化镓开关管就能取代两颗传统硅MOS了。氮化镓开关管内部没有体二极管,只需一颗即可实现双向开关,完全阻断电池的充电和放电电流。氮化镓具有低导阻高效率优势,使用一颗氮化镓开关管取代两颗串联的硅MOS,导阻是硅MOS管的几分之一,可大幅降低发热,减小充电电流流过保护板带来的压降,降低功率损耗,降低温升。jeSednc

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随着现在手机充电功率的大幅提升,电池端的充电电流都在10A以上,有些厂商已经在电池上采用多极耳,多条连接线来降低大电流的发热。氮化镓的低阻抗优势,可以有效的降低快充发热。应用在手机电池保护板上,可以支持更高的快充功率,延长快充持续时间,获得更好的快充体验。jeSednc

OPPO使用一颗氮化镓开关管取代两颗串联的硅MOS,氮化镓低阻抗优势可以大幅降低电流在保护板上的损耗,随着手机充电功率达到200W,电池端的电流达到20A。传统硅MOS温升明显,甚至需要辅助导热措施来为其散热。使用氮化镓代替硅MOS之后,可以无需导热材料,降低快充过程中的发热,简化设计并降低成本。jeSednc

充电头网总结

以上是充电头网归纳的关于低压氮化镓的应用场景,随着氮化镓的批量化,成本进一步降低,市场还将进一步打开,拓展应用范围。更多使用传统硅器件的场合,如电脑主板、笔记本主板上面的核心供电,车载充电机,逆变器等,内部的硅器件将被氮化镓所取代,获得更轻更小的产品体验。jeSednc

如今氮化镓在快充中已经得到市场广泛验证,使用低压氮化镓的All GaN方案也已推出。借助氮化镓宽禁带半导体的优势,开关速度更快,更高耐压的氮化镓器件将会在传统硅器件无法满足需求的场合大展拳脚。jeSednc

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