氮化镓,高功率充电器的未来

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近几年以来,随着电池的增大,高功率快充成了一个必不可少的卖点,充电协议五花八门,有高通为代表的qc4.0,mtk为代表的mcharge,OV自家的私有协议,以及目前大有一统天下的PD快充,虽然这些协议各有不同,但是有一个特点是相似的,那就是充电头的大小,受限于元器件的功率密度,普通的快充头都硕大无比,而且,随着快充功率的增大,快充头也就更大,这是业界存在的痛点,在快充发展到今天的这个节点,氮化镓材料很可能是解决这个问题的临门一脚。

首先我们要明白,为什么功率越大,充电头就一定越大?

受限于材料的功率特性,单位体积的元器件功率转换是存在天花板的,也有个别不要命的厂商在小功率器件上堆功率,导致散热失控,存在很大安全隐患,正规渠道这个是过不了工信部这一关的,现在业界也都在寻找高功率且转换效率高的材料,转换效率高意味着电能损耗越低,也就改善了发热,这两方面着手,才能把充电头做的更小更便捷。

快充从10w到18w,其实体积稍微加大一点还能接受,但是到了27w,甚至是现在动辄40w+的超级快充,充电头体积就急剧的变大了,与此同时,业界的pd快充成了行业标准之后,奇迹般的笔记本居然和手机用上了同一套协议,而苹果算是业界比较早的用自家的笔记本充电头来给自己旗下的手机做快充的,30w的快充头就已经有100g了,而80w的macbook pro上那一款,已经是沉甸甸的分量了,2018年,苹果终于给11寸ipad pro标配了快充头,但也只有18w,实测该款ipad充电功率是支持30w+的,苹果之所以没配备高功率快充很大一部分原因是体积太大,增加了物料和运输成本,但由于11寸pro电池实在太大,所以就只配了18w的起步快充。看到没,强如苹果,也被行业瓶颈卡着,5w充电头,实在太难受了。有没有一种材料,能够实现和祖传5w豆腐块一样大小的同时,提供高功率的快充。

iPhone标配5V 1A充电头

GaN

被誉为继第一代Ge、Si半导体材料,第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。
氮化镓相比传统硅基半导体,有着比硅基半导体出色的击穿能力,更高的电子密度和电子迁移率,还有更高的工作温度。这首先体现了低损耗和高开关频率,低损耗可降低导阻带来的发热,高开关频率可减小变压器和电容的体积,有助于减小充电器的体积和重量。同时GaN具有更小的Qg,可以很容易的提升频率,降低驱动损耗。

这种材料的电子迁移率比传统材料要高得多,同样的体积可以实现更高功率的电能转换,而且效率非常高,耐热性也很强,应用在高功率充电头上,可以说是非常适合了。

此前这种材料都停留在实验室,在2018年底,终于有厂商开发出了氮化镓充电器,ANKER PowerPort Atom PD1 GaN

与苹果5w充电头相比

与苹果祖传5w头相比,该款充电器体积大出不到1倍,但是功率却达到5倍多,不仅如此,苹果5w充电器在充电过程中发热严重,而该款充电器发热温和。

冲ipxs max,功率21w
macbook pro 充电

由于功率不小,还可以给macbook pro充电,轻巧的充电头,实实在在的解放了旅游党,mbp原装硕大的充电头每次装包都是梦魇。有了它,不仅打通苹果全家桶的充电问题,还非常方便携带。

以上产品还只是第一代,ANKER表示,接下来的精力主要放在降低成本和继续挖掘潜力,大概2019年中发售。氮化镓刚走出实验室没多久,目前成本还居高不下,相信有着产业推动,很快就能平价普及,这个大的趋势,我相信没错的。

当然,也有一些打着氮化镓旗号的充电器,号称自己是氮化镓充电器,截止2019年3月1日,市面上还没有氮化镓充电头,大家注意了。

但是,市面上还是有其他充电头把体积做小的同时功率做的很高,比如文章配图的thinkplus充电头,65w的输出,充电头做到了120g以内,还是值得褒扬的,拆解发现没啥黑科技,只是用了一种高功率的Coolmos(比较贵)。

MOS的发展一开始是平面MOS,后来发展成coolMOS,到现在的氮化镓 (GaN),都是在减小MOS的损耗和面积,来提高功率密度。氮化镓的优势有很多,体积小,面积小,输入输入电容小,反向恢复时间基本为0,这样就可以工作在很高的频率,来减小电源体积。相信以后会大量应用。但电源的频率越来越高,不仅仅是MOS要好,变压器磁芯和电解电容也是关键,也要在高频情况下损耗很小。现在的ACDC电源的频率一般在65k-130k。要是GaN能做500k甚至1M的话,那就现在的变压器磁芯也是一种挑战,相信以后这些配套器件也会跟上

在目前氮化镓不能普及的情况下,Coolmos还算是能打,但是原理上存在存在传统的天花板,基本上thinkplus这个体积,做到65w已经是极限了,价格也并不实惠。打个比方,马车是干不过汽车的,coolmos是用了最结实的马车,用了最快的马,而氮化镓就是未来的汽车。

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