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碳化硅進(jìn)軍消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng),引領(lǐng)手機(jī)快充新潮流

海明觀察 ? 來(lái)源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:李誠(chéng) ? 2022-02-11 09:22 ? 次閱讀
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電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李誠(chéng))隨著智能手機(jī)的快速發(fā)展,手機(jī)續(xù)航和充電體驗(yàn)成為了手機(jī)廠商和消費(fèi)者首要關(guān)注的問(wèn)題。在手機(jī)充電領(lǐng)域中氮化鎵的應(yīng)用最為廣泛,也是被消費(fèi)者最為熟知的一種產(chǎn)品。其實(shí)碳化硅快充設(shè)備也是有的,只不過(guò)大多分布在汽車(chē)電子和工業(yè)領(lǐng)域,再加上設(shè)計(jì)成本以及多方面的因素所制約,導(dǎo)致碳化硅在消費(fèi)類(lèi)的應(yīng)用中的普及率不及氮化鎵。

碳化硅與氮化鎵一樣,同屬于第三代化合物,是大功率設(shè)備的關(guān)鍵性材料。碳化硅材料具有禁帶寬度大、導(dǎo)通電阻低、開(kāi)關(guān)頻率高等電氣特性。

在大功率設(shè)備中碳化硅禁帶寬度大的特性能夠承受住更高的電壓和溫度,這也就意味著碳化硅能夠比硅基材料承受住更高的功率;在導(dǎo)通電阻方面,碳化硅的導(dǎo)通電阻也比硅基材料更低,可以有效降低設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)熱的情況,避免功率損耗過(guò)高,提高電能利用率;在開(kāi)關(guān)頻率方面,碳化硅與氮化鎵的開(kāi)關(guān)頻率都相對(duì)較高,在充電器設(shè)計(jì)中,開(kāi)關(guān)頻率的大小與變壓器的體積是相互掛鉤的,較高的開(kāi)關(guān)頻率可使得變壓器的線圈匝數(shù)、橫截面積盡可能地做到小型化,這也是為什么氮化鎵被大功率快充廣泛使用的原因之一。

新春首秀,派恩杰碳化硅65W PD快充方案

2月7日,專(zhuān)注于碳化硅與氮化鎵功率器件設(shè)計(jì)及方案的國(guó)產(chǎn)廠商派恩杰推出了新一代基于碳化硅應(yīng)用的65W PD快充解決方案,也是派恩杰首次將碳化硅技術(shù)成功導(dǎo)入消費(fèi)類(lèi)快充解決方案中。

圖源:派恩杰

上圖為派恩杰65W PD快充方案的Demo,在該設(shè)計(jì)方案中主要采用了派恩杰的碳化硅MOSFET P3M06300D8作為功率開(kāi)關(guān)管提升系統(tǒng)的整體效率。

P3M06300D8是一款耐壓值為650V N溝道的增強(qiáng)型SiC MOSFET,該MOSFET具有高頻、低導(dǎo)通電阻、小柵極電荷的電氣特性。導(dǎo)通電阻為300mΩ,柵極電荷為2.75nC,在場(chǎng)效應(yīng)管中柵極電荷的值對(duì)元器件的開(kāi)關(guān)性能具有較大的影響。舉個(gè)例子,當(dāng)電流為100mA時(shí),柵極電荷為100nC的MOSFET充滿或放盡所需的時(shí)間為1us,柵極電荷為20nC的MOSFET所需時(shí)間為200ns。這也就意味著P3M06300D8能夠在27.5ns內(nèi)完成一次導(dǎo)通或者關(guān)斷的操作,這也是該快充方案小型化的關(guān)鍵因數(shù)之一。

圖源:Richtek

在該方案中初級(jí)側(cè)的控制器采用的是立锜科技(Richtek)的RT7790 PWM控制器對(duì)電路進(jìn)行控制,并形成一個(gè)可編程USB PD快充方案。RT7790 內(nèi)部集成了雙向控制邏輯,可通過(guò)脈沖變壓器向次極端控制器發(fā)送零電壓開(kāi)關(guān)的脈沖信號(hào),也可以接收由次級(jí)端反饋回來(lái)的脈沖信號(hào),零電壓開(kāi)關(guān)的功能能夠給系統(tǒng)帶來(lái)更高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí),并降低MOSFET的發(fā)熱量。在該方案中,RT7790 PWM控制器可以直接對(duì)P3M06300D8 MOSFET進(jìn)行驅(qū)動(dòng),無(wú)需在電路中進(jìn)行額外的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),加快終端產(chǎn)品上市的目的。

圖源:派恩杰

上圖為該65W PD快充方案在110Vac和220Vac兩種工作電壓上的效率變化曲線。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),該方案在工作電壓為110Vac時(shí),系統(tǒng)效率均保持在91%以上。工作電壓為200Vac時(shí),系統(tǒng)效率達(dá)到峰值,接近94%。

據(jù)悉,該方案結(jié)合了碳化硅在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì),Demo的功率密度達(dá)到了1.98W/cm3,與其他基于氮化鎵快充方案的1.1~1.3W/cm3相比高出了不少。

值得一提的是,派恩杰在這款碳化硅MOSFET上進(jìn)行了多方面的優(yōu)化,并將產(chǎn)品的售價(jià)控制到了與120mohm~140mohm的硅基MOSFET相近的價(jià)格。畢竟碳化硅之所以在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中未能快速普及的原因之一就是成本的問(wèn)題,該方案的推出有望加速碳化硅在消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)的滲透。


首款引入碳化硅技術(shù)的倍思120W快充

談到碳化硅在快充領(lǐng)域的應(yīng)用,不得不提一下倍思這一終端廠商在該領(lǐng)域的成就,2020年,倍思就已經(jīng)成功將碳化硅技術(shù)導(dǎo)入到快充應(yīng)用中,并首發(fā)了氮化鎵+碳化硅的120W快充充電器。
?
圖源:倍思

倍思此前發(fā)布的這款120W快充充電器結(jié)合了碳化硅與氮化鎵在電力電子領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì),成功地將充電器的發(fā)熱量與體積降至較低的水平,并提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

該充電器采用了PFC+LLC的電源架構(gòu),PFC電路部分采用的是安森美的NCP1616A1 PFC控制器,PFC開(kāi)關(guān)管采用的是納微的NV6127氮化鎵MOSFET,PFC升壓的整流電路采用的是Alpha power的碳化硅二極管ACD06PS065。半橋LLC電路由安森美的NCP13992 PWM控制器和納微的NV6115氮化鎵MOSFET構(gòu)成。

經(jīng)測(cè)量,該充電器的長(zhǎng)度為94.17mm,寬度為55.56毫米,厚度為30.11mm,體積約為150cm3,功率密度為0.76W/cm3,由于這是倍思的早期產(chǎn)品,所以在功率密度方面與現(xiàn)在的產(chǎn)品存在著些許差距,并且價(jià)格也相對(duì)較高。

結(jié)語(yǔ)

成本一直是碳化硅進(jìn)入消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)的關(guān)鍵,如今派恩杰推出的這款低成本的碳化硅產(chǎn)品,有望成為碳化硅進(jìn)軍消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)的敲門(mén)磚,加速碳化硅在消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)的普及,引領(lǐng)手機(jī)快充的發(fā)展潮流。
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