的GaN,SiC和硅技术在交流适配器

发布时间:2019年8月14日
特约作者:Sinjin dixun - warren,博士

介绍

交流电适配器不断提醒我们,我们开始喜欢的移动设备并不像我们想的那样移动。每个移动设备都需要定期访问交流适配器,为其锂离子电池充电。

最初,大多数AC适配器基本上是线性电源,其结合了桥式整流器和电容滤波的变压器的交流电源电压转换为平滑的低电压直流电流适合用于对电池充电。这些适配器被限于特定的AC电压输入以产生特定的DC电压输出,因此可能一般不被国际上使用。他们也笨重,一般被要求为每个设备需要直流电源不同的适配器。最后,线性基于变压器的技术是低效率的,作为不需要功率作为热量耗散,并且即使当不存在负载电流功率消耗。

开关模式电源(SMPS)已逐步取代线性基于变压器的技术自20世纪80年代。各种电路拓扑结构的使用,但本质上,它们都是基于同样的原理。的交流电压被整流为直流高电压驱动的开关电路,其包含在高频变压器的操作,并在所需的低电压输出的直流电流。SMPS的一大好处是,他们可以利用各种交流输入电压下使用,从而使“国际”适配器可能。此外,它们可被配置为产生各种直流输出。电压调节是通过改变比率上到断高电压切换电路的时间来实现的。

相对较新的USB-C功率递送标准旨在提供可变充电电能高达100 W(例如20V和5A),使得单个AC适配器然后可以用来充电各种各样的设备。此外,电缆是双向的,并且因此具有相同的电缆可以被用于笔记本电脑从监视器或从笔记本电脑智能电话进行充电。当设备被连接的充电功率和电压被动态地配置。

用于用户应用的SMPS通常需要一个额定约600v的场效应晶体管(FET)。该FET用于SMPS中驱动变压器的高压的高频开关。利用宽禁带氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或硅(Si)可以制备出合适的场效应晶体管。硅超级结MOSFET技术目前主导着移动设备AC适配器市场,但GaN和SiC器件承诺更高的效率和更低的形式因素。提出的GaN器件是在GaN-on- si衬底上形成的横向高电子迁移率晶体管(HEMT)。有几个AC适配器的启动发挥在宽频带间隙市场空间,但到目前为止,没有一个主要的原始设备制造商(OEM的)采用这种技术。在这篇文章中,我们将回顾在开放市场上购买的交流适配器的一些分析结果。

Avogy Zolt

2016年,TechInsights(原名Chipworks)研究了Avogy Zolt笔记本电脑充电器型号ZM070LTPX01-G。Avogy声称自己是GaN设备的供应商;然而,TechInsights发现Zolt包含SiC功率场效应晶体管,可能是Cree制造的,但包装上有Avogy标记。我们在PntPower.com的同事随后争辩说,Avogy使用SiC设备有四个原因,主要是SiC在当时是可用的和工作的。图1显示了Zolt笔记本电脑充电器的主PCB,以及AV150-00028 SiC设备的位置。

Zolt笔记本电脑充电器主板

图1:Zolt笔记本电脑充电器主PCB

下面的表1显示了完整的设计赢列表的Zolt充电器。该设备相对复杂,包括一个英飞凌600 V的CoolMOS设备,加上三个低电压英飞凌OptiMOS设备和Avogy品牌的SiC功率场效应晶体管设备。

生产商名称 型号 设备类型 突出的标志
德州仪器(TI) LP2951-50DRG 电压调整器 ZUF
54 k
AKYP
德州仪器(TI) UCC27511DBV 逻辑集成电路 7511
德州仪器(TI) TL431AQDBZ 电压调整器 taq
飞兆半导体 FODM121C 光隔离器 (商标)
121C
523 r
德州仪器(TI) LMC555CMMX 其他 4 at6
ZC5
英飞凌 IPL60R199CP 600米V的CoolMOS (商标)
6R199P
HBK303
Unitrode UC3842D8 脉宽调制控制器 ü36
38 c43
德州仪器(TI) SN74AHCT1G32DCK 逻辑集成电路 BGG
德州仪器(TI) SN74AHCT1G32DCK 逻辑集成电路 BGG
德州仪器(TI) SN74AHC1GU04DCK 逻辑集成电路 AD3
英飞凌 BSC010NE2LSI 为25V的OptiMOS 010NE2LI
HRH431
(商标)
英飞凌 BSC010NE2LSI 为25V的OptiMOS 010NE2LI
HRH431
(商标)
阿尔法和欧米茄 AOZ1232QI-01 DC-DC转换器 (商标)
Z1232QI1
ZA5V1E
格言 MAX14667 其他 AETH
格言 MAX9938WEBS 功率放大器 AGI
6房颤
英飞凌 拆除 功率MOSFET 0902NSI
H1F 521
COMCHIP技术 Z4DGP406L-HF 功率整流器 Z4GP
40JL
533
微芯片技术 PIC32MX270F256D-V / TL 微控制器 (商标)图片32
MX270F2
56 dvtl
英飞凌 BSZ0902NSI 30 V OptiMOS 0902NSI
HAD534
(商标)
德州仪器(TI) UCC27512 逻辑集成电路 27512
TI 57我
C0R3
Avogy公司 av150 - 00028 碳化硅功率场效应晶体管 150-00028
FV0931
CS1527

表1:Avogy Zolt中标设计

作为一个独立的公司,Avogy显然已经不复存在,但Avogy Zolt似乎仍然可以从亚马逊买到,尽管根据一些客户的评论,它可能有可靠性问题。图2显示了从Avogy AV150-00028中提取的SiC模具照片。该模具可能是由Cree Inc.制造的。

Avogy AV150-00028碳化硅模

图2:Avogy AV150-00028的SiC模具

RAVPower RP-PC104

自2016氮化镓取得了长足的进步在商业市场,也有越来越多的厂商是现在提供基于氮化镓AC适配器,包括RAVPower,安克,FINsix并取得记(穆一)和其他人的。大量厂商正在提供的GaN FET器件,从小型创业公司像氮化镓系统和纳维大型老牌厂商英飞凌一样和松下。

最近,TechInsights发表一些业绩RAVPower RP-PC104 45瓦USB-C充电器广告中显示含有GaN,也可以从亚马逊买到。我们发现RP-PC104包含两个Navitas NV6115 GaN电源IC,如下表2所示。图3展示了RP-PC104主PCB的照片,并标注了Navitas NV6115的位置。

Avogy AV150-00028碳化硅模

图3:RAVPower RP-PC104主PCB

TechInsights的随后发现,在取得了纳维设备记住慕一个45瓦的充电器,并在Aukey PA-U50 24W USB充电器。穆一充基本上有相同的设计RavPower充电器,都显然是基于Navitas的参考设计。该Aukey PA-U50是特别关注的,因为它被发现含有新的纳维NV6250集成半桥IC。TechInsights的目前工作的纳维NV6250的完整分析。图4示出了NV6115的照片集成GaN HEMT中从RP-PC104死亡。

生产商名称 型号 设备类型 突出的标志
纳维半导体 NV6115 GaN功率IC (LOGO)纳维
NV6115
B3K
纳维半导体 NV6115 GaN功率IC (LOGO)纳维
NV6115
B3K
二极管公司 MSB30M 功率整流器 - +
MB30M
8B15
先锋国际 VS3506AE - 30v p通道场效应晶体管 VS
3506AE
YY9F33
Silicon Laboratories公司 Si8610BB-B-IS 数字隔离器 Si8610BB
1751年的男朋友
(e3) L0KU
Everlight EL1018-G 光隔离器 EL
1018
822V
德州仪器(TI) UCC28780RTE 其他控制器 U28780
TI 858
A4FL
英飞凌 BSC098N10NS5 100 V OptiMOS 098年n10ns
HAK623
Weltrend半导体 WT6615F USB控制器 WT6615F
000
827 c
I64AF

表2:RAVPower RP-PC104中标设计

纳维半导体NV6115集成GaN HEMT的模

图4:Navitas半导体NV6115集成GaN HEMT模具

Innergie 60 C

TechInsights最近购买了德尔塔电子集团生产的Innergie 60C USB-C 60w适配器,预计将包含GaN设备。网络传言称,该设备实际上包含一个600 V英飞凌酷mos超级结MOSFET,德尔塔公司用安全油漆掩盖了标记。TechInsights对Innergie 60C的拆卸证实了600 V英飞凌IPL60R185C7 CoolMOS设备的存在,并使用了安全油漆,而且没有发现GaN组件。图5显示了一个照片的几个小PCB发现在Innergie 60C。英飞凌IPL60R185C7 600 V CoolMOS的位置被注释,标记被模糊。

Innergie 60C PCB

图5:Innergie 60C PCB

表3总结了60C内窥镜的设计优势。TechInsights计划完成对600 V英飞凌IPL60R185C7 CoolMOS设备的详细分析。图6显示了英飞凌IPL60R185C7 600v CoolMOS芯片的照片。

生产商名称 型号 设备类型 突出的标志
二极管公司 MSB30KH 功率整流器 - +
MSB30KH
8B2
Everlight EL1013 光隔离器 EL
1013
826 v
英飞凌 BSZ086P03NS3-G -30 V功率MOSFET 086年p3n
HAH743
(商标)
在半 FDMS86150 100伏N沟道FET (LOGO)DJ08AC
FDM
海湾半 GU1M-E 功率整流器 (标志)
GU1M
未知 T31.5A250VCQMST 其他 T31.5A250VCQMST
(CCC)(VDE)RU
未知 DAP030H 其他控制器 DAP030H
PFFH38G
意法半导体 STM32F072CBU7 微控制器 STM32F
072 cbu7 8205
GQ24L 15
英飞凌 IPL60R185C7 600米V的CoolMOS (商标)
60 c7185
HAD831

表3:Innergie 60C中标设计

英飞凌IPL60R185C7 600 V CoolMOS模具

图6:Infineon IPL60R185C7 600v CoolMOS芯片

结束语

TechInsights分析表明,高功率、紧凑的交流适配器可以使用SiC、GaN和Si超级结器件。通过对主要OEM的几项商业充电检查,包括谷歌Pixel 3、华为Mate 200 Pro和诺基亚9 PureView快速充电器发现了硅超级结MOSFET技术。很明显,硅技术继续主导着这个市场空间。TechInsights认为,SiC不太可能在AC适配器市场取得成功,因为这项技术的成本相对较高。碳化硅技术似乎更适合高压应用,并成功取代硅IGBT技术在电动和混合动力汽车市场。

奇怪的是,在这三个AC适配器的情况下,这里所讨论的Innergie 60C可提供最佳的整体系统性能。一个度量为移动充电器的性能的是功率密度,即每立方厘米体积的所产生的瓦特。该Innergie 60C是该指标以明显优势胜出,以最高的功率密度。年长Avogy Zolt是具有最大音量和最小功率密度。

设备 长度(英寸) 宽度(英寸) 高度(英寸) 功率(W) 体积(3 功率密度(W /3
Innergie 60 c 2.4 1.2 1.2 60 3.5 17.4
RAVPower RP-PC104 2.8 2.1 0.6 45 3.5 12.8
Avogy Zolt 3.5 1.3 1.3 70 5.9 11.8

表4:功率密度比较

该Innergie 60C是由台达电子集团由AC适配器建立制造商。他们声称制造每年8000万个笔记本适配器。这是可能的Innergie 60C的设计是高度优化。如果可能需要基于GaN的器件,如果要有效地与硅超结MOSFET技术竞争进一步优化。

尽管有这些发现这表明氮化镓AC适配器还没有在功率密度方面在性能高品质超基于结AC适配器,TechInsights的认为,GaN的已知技术优势将导致AC适配器市场的市场成功氮化镓。这是可能的GaN将在高效率,小巧的外形,更高功率的电源适配器中找到。很显然,市场正在打赌,这将是这种情况。如前所述,还有,目前,很多球员在GaN HEMT功率晶体管市场,包括相对较新的初创公司和大型老牌如英飞凌。英飞凌目前是电力电子设备的最大供应商,他们的投资组合的超结器件的CoolMOS,再加上GaN基CoolGaN设备和SiC基CoolSiC设备。英飞凌将定位基础上,是最能满足每个应用程序的最终要求的材料提供设备,而且他们显然相信氮化镓HEMT器件在AC适配器市场的巨大潜力的基础上,白皮书在其网站上。

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