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氮化鎵GaN成主流 揭秘它是如何讓電源更高效的

來(lái)源:中關(guān)村在線   編輯:非小米 時(shí)間:2023-10-16 14:48人閱讀

雖然從蘋果被認(rèn)為是取消附帶充電器的始作俑者,但現(xiàn)在的智能手機(jī)不附帶充電器已經(jīng)成為常態(tài)了,所以人們不得不自行購(gòu)買。由于當(dāng)下的手機(jī)的電池容量越來(lái)越大,加上人們愈發(fā)追求較短的充電時(shí)間,所以高功率的快速充電器就成為首選,尤其是氮化鎵GaN充電器已經(jīng)成為了主流,例如下圖的這款聯(lián)想拯救者C135氮化鎵GaN充電器輸出功率就高達(dá)135W。

氮化鎵GaN成主流 揭秘它是如何讓電源更高效的

早期的電源適配器,通常都是由傳統(tǒng)的硅鋼片或者鐵氧體環(huán)繞制初級(jí)和次級(jí)線圈的變壓器變壓,然后再經(jīng)過整流和濾波即可輸出我們所需的直流電,這種電源也被稱為線性電源。下圖就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的線性電源電路圖,不僅只有一路電壓輸出,甚至連濾波電容都沒有。

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線性電源可以說是簡(jiǎn)單粗暴,但是能效較低,想要提高輸出功率勢(shì)必就要增加變壓器的體積和重量,尤其是一些高功率的變壓器,體積往往重達(dá)數(shù)公斤,而且還會(huì)帶來(lái)較大的發(fā)熱損耗,這顯然是人們所不能接受的,所以現(xiàn)在線性電源基本淘汰,僅應(yīng)用于一些音頻功放中,而我們使用的無(wú)論是手機(jī)充電器還是筆記本電腦的電源適配器,還是臺(tái)式機(jī)用的電源供應(yīng)器,都是用的開關(guān)電源。

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線性電源能效低的原因就是使用時(shí)220V 50Hz或者110V 60Hz的工頻交流電,人們發(fā)現(xiàn)如果提輸入交流電源的頻率,就可進(jìn)一步提升電源的效能,這樣就使得變壓器在保證足夠的功率輸出的同時(shí),還能實(shí)現(xiàn)較小的體積。但這樣會(huì)使得電源的電路發(fā)生較大的變化,開關(guān)電源需要先將220/110V 50/60Hz正弦波交流電整流成高壓直流電,然后再由開關(guān)電路將其逆變成超高頻率的方波交流電,然后再經(jīng)過變壓器的變壓,最后經(jīng)過整流和濾波即可輸出我們所需的直流電,下圖就是個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)電源電路。

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那么開關(guān)電路如何把直流電變成高頻交流電的?

我們?cè)诟咧形锢碇袑W(xué)過,變壓器的初級(jí)線圈如果快速的有電流通斷,次級(jí)線圈也會(huì)感應(yīng)出交流電,但是圖形就是方波而非正弦波。在開關(guān)電源中,半導(dǎo)體的開關(guān)管就成為核心部件,它是通過高速的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于變壓器輸入電源頻率的提升,例如問我們的工頻交流電是50Hz,而開關(guān)管的開關(guān)頻率達(dá)到數(shù)KHz,甚至1MHz以上。

開關(guān)管的開關(guān)頻率越高,電源的能效也會(huì)隨之提升,但由于半導(dǎo)體元件也是有電阻的,高頻工作時(shí)發(fā)熱量較大,往往要固定在散熱片上。我們目前常用的開管主要采用的是硅基功率MOSFET,但隨著人們對(duì)于更快的開關(guān)速度和更低電阻的要求不斷提升,硅基功率MOSFET已經(jīng)被推到了極限,所以氮化鎵GaN半導(dǎo)體就成為新一代的功率元件。

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氮化鎵GaN被稱為第三代半導(dǎo)體,堪稱是把電子性能帶到另一個(gè)更高水平、恢復(fù)摩爾定律的的快速發(fā)展一種全新材料,當(dāng)然晦澀難懂的材料解析和工作原理我們就略過了,大家只要知道氮化鎵GaN器件的電子傳導(dǎo)效率是硅基器件的1000倍就可以了,氮化鎵GaN高電子遷移率可實(shí)現(xiàn)更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)速度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻,用氮化鎵GaN制造高效率功率晶體管和集成電路會(huì),實(shí)現(xiàn)更高的功率和更小的體積,例如下圖就是硅功率元件和氮化鎵GaN的功率元件的體型對(duì)比,而“五福一安”的體型現(xiàn)在已經(jīng)可以做到的30W的功率。

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除此之外,氮化鎵GaN也開始嘗試在臺(tái)式機(jī)的電源供應(yīng)器上使用,并帶來(lái)了較大的功率,典型的產(chǎn)品就是華碩ROG玩家國(guó)度的雷神,最高可提供1600W的功率輸出,可以說直接帶兩個(gè)RTX 4080都沒問題,只是價(jià)格方面讓人只能仰視了。

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簡(jiǎn)單的說,氮化鎵GaN讓我們用上了更小體型、更高效率和更高穩(wěn)定性的電源。不過,氮化鎵GaN電源雖好,不過購(gòu)買的時(shí)候也不要過于追求功率,例如100W以上的都可以為筆記本電腦供電了,而手機(jī)和平板電腦,選30W或者65W的就可以了。

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