GaN充电器的小巧高效的特点是怎么来的 【个人学习小结】

binne

现在氮化镓（GaN）充电器的广告都是这么说的，体积小&重量轻，效率高。那么这些特点怎么来的？
说氮化镓充电器小巧高效是相对于传统的硅MOS充电器来说的。 那么GaN比硅（Si），什么材料特性使GaN充电器达到了小巧高效。
两句话表达是：
半导体材料GaN相对于Si有更大的禁带宽度，使得GaN有更好的耐压能力，这样对于相同耐压要求的开关管，GaN管的沟道不用做的很长，得到低Rdson，低传导损耗，沟道不用做的很宽，面积小了得到低寄生电容（Cgd等），低开关延时低开关损耗。当寄生电容减少，开关损耗降低后，有了提高开关工作频率的空间，提高开关工作频率可以减少对电路中电容容量和电感感量的要求，这样就能减少电容或电感的体积。

具体说说，开关电源的主要能源损耗有开关管传导损耗和开关损耗
电源的传导损耗
对于同一种半导体材料同一种器件结构的开关管，开关速度（电容/频率响应）和导通电阻（Rdson）是相互限制的。新材料的导入可以得到大幅改善。
由于半导体材料GaN相对于Si有更大的禁带宽度，使得GaN有更好的耐压能力，这样，同样的器件结构，满足同样的耐压要求，GaN的沟道长度不需要和硅MOS管那么长，这样沟道短导通电阻就小。既然导通电阻已经很小了，那么可以分享一部分到沟道宽度上来。沟道不用很短，再把沟道变窄一点，这样，导通电阻缩小一点，同时面积小一点，寄生电容就小一点。所以，GaN可以同时得到快的开关速度和低导通电阻。另外，面积也小了，面积小就省成本。
低导通电阻，就是低传导损耗，P=I^2R

电源的开关损耗
开关电源（DC电源)有一个关键参数是开关工作频率
开关工作频率增加一倍，电容减少一半或者电感减少一半，代价是开关损耗加倍。电容减少一半，电容体积减少一半。电感减少一半，电感体积减少一半
开关损耗，是开关工作频率和开关管速度相关的参数。当开关管的寄生电容减少之后，开关速度就会提高，开关损耗就会减少，这时候就有了提高开关工作频率的空间。假设开关管的开关速度提高了8倍（延时1/8），工作频率增加4倍，那么延时和频率相乘，开关损耗减半。同时电容和电感的体积可以各减少了一半。另外小电容小电感的好处还有小寄生电阻（ESR和DCR）。
P=something*T*f 功率和开关管开启关闭延时成正比，和工作频率成正比。

比较两种开关管的参数，在满足耐压要求的情况下，GaN的电阻电容延时都要小。
GaN管 NV6117，                      Rdson= 120mohm，        Coss=27pF,        Tr+Tf=6+3=9ns
Si MOS管 2SK3569，        Rdson= 540mohm，        Coss=180pF,        Tr+Tf=22+36=58ns


实际应用中GaN管子的结构也会根据材料特性和生产工艺要求做优化，电源高的开关频率也会带来EMI的挑战，情况不会像我写的那么简单，我只是提出个人的理解，作为一个学习小结吧。网上很多文章，说半导体禁带宽度的不会说开关电源工作频率，说电感/变压器变小了就不会去说氮化镓材料耐压特性，我只是把他们放一起。欢迎大家补充说明。
另外GaN可以工作在更高的温度，但是电源设计中的其他元器件没法突破原有的温度限制，所以没法把电源工作温度提的很高，再说，烫手，不适应于手机充电器。

参考资料
Digi-key的 《电源大师课》
工科男孙老师 《氮化镓是什么？它为什么可以让充电器变小？》

欢迎大家补充说明。

p_ricky777

专业，沙发，学习了

test01

新一代是氧化镓，更牛
被美帝严控对中国技术输出哎

ylgtx

好贴，学习了。希望早日普及到电脑电源中

jk2336968

小充电器体积做到极致，温度 纹波都不好看。开关速率高效率高了，但耐不住体积缩的幅度更大，温度就上去了。小体积的，比如冰块类，还比普通体积的贵一点。

binne

jk2336968 发表于 2022-8-23 00:18
小充电器体积做到极致，温度 纹波都不好看。开关速率高效率高了，但耐不住体积缩的幅度更大，温度就上去了 ...

现在还比较贵，需要 “小巧”这个卖点，所以充电头设计的时候堆叠电路板，积热，氮化镓开关管高速低阻的特性会带来高效率，就是低损耗，如果和传统充电头同样体积，一定会低热。至于纹波，看电路设计师傅的能力了，现在很多都是小厂在做。等等 再看。