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氮化镓成为了“快速充电”的代表

2022-02-15 09:21:01 小亿 481

最近几年,买手机选择充电器的时候,大家都喜欢选择“快充”充电器。快充充电器尤其以氮化镓快充充电器最受欢迎。

“快充”其实就是快速充电,它某种意义上是用于弥补电池技术发展的短板——既然无法在现有的体积下通过大幅增加电池容量的方式来改善续航水平,那就通过加快手机的充电速度来加强手机续航能力。

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目前,快充一般都会与“氮化镓”同时出现,为什么氮化镓可以担此重任呢?在给出答案前,我们可以先对电力转换系统先做一个简单的介绍。

电力转换技术的重要性

我们用一个家用的电力转换系统当作例子,一般我们常用的电子产品,例如手机、平板等所需要的是一定额度以下的直流电,但目前国家统一的额定电压为220V,因此我们必须要把电厂输送到家庭的220V交流电转换成合适的直流电,这时候就需要变压器或充电器进行转换,没有电子产品可以例外。显然,电力转换技术在我们日常生活中不可或缺。而在电力转换系统中,最为关键的一部分就是功率半导体元件,它性能的好坏将决定这个电力转换系统的优劣。

为了制备出好的功率半导体元件,就必须选用适合的半导体材料。目前最为常用的半导体材料为Si,但是经过数十年的开发应用,Si的潜力基本已经发挥到极致,很难在性能上再进一步,这就是氮化镓(GaN)开始崛起的重要原因。

氮化镓的优势

先看看氮化镓的基本特性,氮化镓GaN与硅相比,具有禁带宽度大、临界击穿电场大、饱和电子漂移速度高、化学性质稳定等特点。之所以能够得到快充产业的青睐,主要原因有以下两点:

一、热性能卓越。由于硅器件的性能限制,在中高功率应用时,往往需要辅助被动散热(To封装或散热片),这也是造成开关电源体积增加的主要原因之一。氮化镓器件在性能上远远抛离日益陈旧的功率MOSFET器件,具有更低导通电阻、更低电容、更大电流及卓越的热性能。这种优良特性,让氮化镓功率器件几乎可以完全告别传统的辅助被动散热方式,而依靠PCB覆铜、过孔搪锡等小范围的方式实现散热。抛弃了笨重的辅助被动散热设施,体积将可做得更为小巧。

二、GaN高频特性带来高效。通常来说,要提高开关电源产品的功率密度(即同等体积下,输出功率越高),首先考虑的是提高其开关频率,能有效的减小变压器、滤波电感、电容的体积,而GaN的材料特性恰恰能够满足这一要求。

综合来说,氮化镓GaN元器件具有通态电阻小、开关速度快、耐高温、耐压高性能好等优点,有着硅元器件无法比拟的优势,确实非常适合使用在电力转换系统中。

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氮化镓快充头

氮化镓的发展趋势

不过由于氮化镓生产门槛较高,它的成本相对硅来说都高出不少,因此还有不少电源系统制造商仍在观望,选择等待氮化镓接近硅的价格再采用。但随着技术上的突破,氮化镓的成本控制已经得到了显著成果。

比如前段时间氮化镓功率晶体管厂商GaN Systems就宣布其低电流、大批量氮化镓晶体管的价格已跌至1美元以下,这些晶体管通常用于智能手机和笔记本电脑以及各种消费品和工业应用的氮化镓充电器和AC适配器。而且随着全球众多消费者、企业和工业市场客户的产量提高,GaN Systems预计氮化镓晶体管的价格会进一步降低。

氮化镓全面攻占快充头市场已是不可逆转的趋势,在氮化镓的帮助下,未来电源系统一定可以变得更小、更轻、更凉、更便宜。根据有关机构预测,全球氮化镓半导体器件市场将从2020年的16.5亿美元(市场规模价值)以19.8%的复合年增长率增长,到2027年达到58.5亿美元,可预见未来氮化镓在消费类电子等领域必将得到更广泛的应用。

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