何種AC適配器性能最佳：GaN、SiC還是矽？
2019-10-18
作者
Sinjin Dixon-Warren，TechInsights資深分析師
根據TechInsights針對三個主要產品分析，有效的大功率、緊湊型AC適配器可採用碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)和矽超接合面這三種材料來設計製造，哪種AC適配器性能最好？
AC適配器的存在不斷提醒著，我們鍾愛的行動設備並不像想像的那樣具有行動性。每個行動設備都需要定期重新連接AC適配器，為其鋰離子電池充電。
雖然需求保持不變，但充電技術的背後卻在不斷發生變化。雖然矽一直是該領域的成熟技術，但製造商們現在正在考慮採用碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)技術來實現更高的效率。
最初，大多數AC適配器基本上是線性電源，它將變壓器與橋式整流器，以及電容濾波器組合在一起，將AC主電壓轉換為平滑的低壓DC電流以便適合為電池充電。這些適配器僅限於特定的AC電壓輸入，以產生特定的DC電壓輸出，通常不能在國際上通用。
它們又笨重又累贅，每個需要DC電源的設備通常都需要一個不同的適配器。而且，基於線性變壓器的充電技術效率低下，因為多餘的功率會以熱量的形式耗散，即使在無負載電流的情況下也會耗散功率。
自20世紀80年代以來，開關模式電源(SMPS)逐步取代了基於線性變壓器的充電技術。各種各樣的電路拓撲結構出現，但基本上，它們都基於相同的原理：AC電壓被整流為高DC電壓用以驅動開關電路，這種開關電路包含一個高頻工作的變壓器，並以所期望的低電壓輸出DC電流。
SMPS的最大好處是它們適用於各種AC輸入電壓和頻率，因此得以生產「國際通用」的適配器。此外，SMPS還可以透過配置產生各種DC輸出，利用改變高壓開關電路的開-關時間比例即可實現電壓調節。
相對較新的USB-C充電標準旨在提供高達100W(比如電壓為20V、電流為5A)的可變充電功率，從而可以使用單個AC適配器為各種設備充電。此外，USB-C線纜是雙向的，即可以使用相同的資料線透過顯示器為筆記型電腦充電或利用筆記型電腦為手機充電，設備一旦連接，充電功率和電壓即可動態配置。
用於消費類應用的SMPS通常需要額定電壓為600V的場效電晶體(FET)。該FET用來驅動SMPS中變壓器的高壓高頻開關。
合適的FET可以採用寬能隙(WBG)GaN、SiC或矽製造。矽基超接合面(SJ)MOSFET技術目前在行動設備AC適配器市場仍佔主導地位，但GaN和SiC元件將提供更高的效率和更小的外形尺寸。
目前提出的GaN元件是在GaN-on-Si基板上形成的橫向高電子移動率晶體電晶體(HEMT)。寬能隙市場目前有多家AC適配器新創公司，但截至目前還沒有一家主要OEM採用這種技術。接下來，本文將比較這三種關鍵元件。
Avogy Zolt充電器採用SiC
2016年，TechInsights曾研究Avogy的Zolt筆記型電腦充電器，型號ZM070LTPX01-G。儘管Avogy聲稱是GaN元件供應商，但TechInsights卻發現Zolt中採用了一個SiC功率FET，而且可能由Cree製造，包裝卻印上了Avogy的標記。
TechInsights在PntPower.com的同事隨後指出，Avogy採用SiC元件的原因之一是當時SiC可用並有效。圖1展示了Zolt筆記型電腦充電器主機板，並標示了AV150-00028 SiC元件的位置。
圖1 Zolt筆記型電腦充電器主機板。
Avogy現在已不再是一家獨立公司，但Avogy Zolt仍能透過協力廠商零售商購買。TechInsights追蹤了Zolt產品的14項設計，涉及多家公司，其中包括英飛凌(Infineon)、Maxim、Microchip和德州儀器(TI)等。
採用GaN的RAVPower RP-PC104
自2016年以來，GaN商用市場取得了長足發展。現在有越來越多的供應商提供基於GaN的AC適配器，包括RAVPower、Anker、FINsix、Made in Mind(Mu One)等。
現在有許多供應商提供GaN FET元件，從GaN Systems和Navitas等小型新創公司到英飛凌和Panasonic等大型企業。最近，TechInsights發佈了對RAVPower RP-PC104 45 W USB-C充電器的一些拆解結果，該充電器宣稱基於GaN技術。
我們發現RP-PC104採用了兩顆Navitas NV6115 GaN功率IC。圖2顯示RP-PC104主機板，標示了Navitas NV6115的位置。
圖2 RP-PC104主機板。
TechInsights隨後在Made in Mind Mu One 45W充電器和Aukey PA-U50 24W USB充電器中也找到了Navitas元件。Mu One充電器與RavPower充電器的設計基本相同，兩者似乎都基於Navitas參考設計。
Aukey PA-U50尤其令人感興趣，因為它採用了新的Navitas NV6250整合半橋IC。TechInsights目前正在對其進行仔細研究，圖3顯示了RP-PC104中整合GaN HEMT裸晶的NV6115晶片。
圖3 NV6115晶片。
Innergie 60C採用了矽
TechInsights最近購買了由Delta Electronics Group製造的Innergie 60C USB-C 60W適配器，預期其應採用GaN元件。網路傳聞該設備採用了一個600V英飛凌CoolMOS超接合面MOSFET，但Delta用安全塗料遮蓋了標記。
TechInsights對Innergie 60C的拆解證實了它的確採用了600V英飛凌IPL60R185C7 CoolMOS元件並使用了安全塗料。但是，在該產品中沒有找到任何GaN元件。
圖4顯示Innergie 60C內部的其中一小塊PCB。圖中標示了英飛凌IPL60R185C7 600V CoolMOS的位置，但標記被遮蓋。TechInsights計畫針對600V英飛凌IPL60R185C7 CoolMOS元件做一份更詳細的分析。
圖4 Innergie 60C內部一塊PCB。
AC適配器前景展望
奇怪的是，在以上討論的三款AC適配器中，Innergie 60C似乎提供了最佳的整體系統性能(表1)。
表1 三款適配器比較。
行動充電器性能的衡量標準之一是功率密度，即每立方英吋體積產生的瓦數。Innergie 60C明顯是這一指標的贏家，其功率密度最高，為17.4W/in3；而較早出現的Avogy Zolt則體積最大且功率密度最低。
Innergie 60C的製造商Delta是一家AC適配器的成熟製造商，其聲稱每年可以生產8,000萬個筆記型電腦適配器。因此Innergie 60C的設計極有可能是經過高度最佳化，GaN元件需要進一步最佳化才能有效地與矽基超接合面MOSFET技術競爭。
透過進一步對幾大主要OEM商用充電器進行研究，包括Google Pixel 3、華為Mate 200 Pro和諾基亞9 PureView快速充電器，發現它們均採用了矽基超接合面MOSFET技術。顯然，矽技術繼續主導著這個市場。
由於SiC技術成本相對較高，因此不太可能在AC適配器市場取得大範圍應用。相反，該技術更適合高壓應用，目前它已成功取代了電動和混合動力車市場中的矽IGBT技術。
TechInsights還發現GaN AC適配器在功率密度方面還沒有超越高品質的超接合面AC適配器。但無論如何，目前已知的GaN技術優勢，以及業界對GaN解決方案開發興趣將最終導致GaN在AC適配器市場中取得成功，期望在高效率、小尺寸、高功率的AC適配器中更多地見到GaN的身影。
目前在GaN HEMT功率電晶體市場已經有許多參與者，包括相對較新的新創企業和大型成熟企業。矽和SiC技術似乎已有獨立的市場利基，期待看到創新持續增長且不斷發展，GaN也能成為適配器領域有力的競爭者。
(參考原文： AC Adapters: GaN, SiC or Si?，by Sinjin Dixon-Warren)
本文同步刊登於EE Times Taiwan 10月號雜誌
